Почему предметы бывают прозрачными?

Отвечает Георгий Юрьевич Шахгильдян, кандидат химических наук, лектор культурно-просветительского проекта «Архэ».

Мы привыкли, что через окно можно посмотреть на улицу или во двор, а вот через стены и двери мы видеть не можем. Если они, конечно, не прозрачные. А что вообще значит «прозрачные»? Вопрос кажется наивным: материал прозрачный, если он способен пропускать через себя свет. Все мы с легкостью назовем прозрачные материалы: стекла, кристаллы, пластики. И еще проще назвать непрозрачные — все остальные. Вроде бы все просто: если мы видим через материал, то он прозрачный, если не видим, то непрозрачный.

Но давайте будем более точными в определениях. Что такое свет? Свет солнца, лампы или экрана телефона — все это часть электромагнитного излучения (ЭМИ). ЭМИ представляет собой распространяющееся изменение состояние электромагнитного поля, которое характеризуют различными показателями: длиной волны, частотой, энергией фотонов (квантов ЭМИ). В соответствии с этими показателями все ЭМИ условно делят на диапазоны: от «жесткого» гамма- и рентгеновского излучения к ультрафиолету (УФ), видимому, инфракрасному (ИК) и до радиоволн.

Практически со всеми видами ЭМИ мы сталкиваемся каждый день: в кабинете рентгенолога — с рентгеновским, греясь на солнце — с ультрафиолетовым, рядом с обогревателем — с инфракрасным, говоря по телефону или слушая радио — с радиоволнами. И, конечно же, мы непрерывно ощущаем видимое излучение — область ЭМИ, на прием которого «настроены» наши глаза. Вне зависимости от названия диапазонов разные виды излучения являются волнами и одновременно потоками квазичастиц — фотонов, которые непрерывно бомбардируют все и вся вокруг нас.

Свет может быть разный. Отсюда логично сделать вывод, что и прозрачность тоже может быть разной, в зависимости от того, о каком свете идет речь

Теперь давайте по-новому посмотрим на привычные нам прозрачные материалы, например на стекло. Для видимого диапазона ЭМИ стекло прозрачно, свет проходит через стекло, и мы отлично все видим сквозь этот материал. Однако для других диапазонов ЭМИ стекло перестает быть прозрачным материалом. Задумайтесь, можете ли вы загореть, сидя в солнечный день возле закрытого окна, сделанного из обычного стекла? Нет, и причина в том, что обычное (натрий-кальций-силикатное) стекло не пропускает излучение УФ-диапазона.

А если кто-то будет следить за вами в тепловизор (как в фильме «Хищник»), то вы сможете легко скрыться от наблюдателя, просто находясь за стеклом. Опять же потому, что стекло не прозрачно для большей части излучения ИК-диапазона, в котором человеческое тело излучает тепло и на которое настроены детекторы тепловизоров. Так одно и то же стекло может быть и прозрачным, и непрозрачным в зависимости от того, какое излучение через него проходит. Этот вывод распространяется и на другие известные нам прозрачные материалы: ведь то, что мы видим глазами, — лишь малая часть ЭМИ.

Теперь мы можем ответить на вопрос, который вынесли в начало текста: почему предметы бывают прозрачными? Если отвечать кратко и поверхностно, то потому, что эти предметы не поглощают ЭМИ. Причину прозрачности мы рассмотрим на заведомо упрощенных частных примерах.

Все твердые тела можно условно классифицировать в зависимости от их электронного строения на три типа: проводники, полупроводники и диэлектрики

Эта классификация находится в рамках зонной теории, которая вводит понятия энергетических зон: валентной, запрещенной и зоны проводимости. Стекла являются типичными диэлектриками. «Ширина» их запрещенной зоны (выраженная в энергии в электронвольтах) велика, и электроны из валентной зоны при обычных условиях никак не могут попасть в зону проводимости (кстати, именно поэтому стекло не проводит электрический ток).

Однако, когда мы облучаем наше стекло светом (то есть ЭМИ), падающие фотоны начинают взаимодействовать с электронами валентной зоны стекла. В упрощенном случае такое взаимодействие может быть выражено в том, что электрон поглотит энергию фотона, возбудится и перейдет в зону проводимости, после чего релаксирует («спустится») обратно в валентную зону. Однако для такого поглощения фотона электроном необходимо, чтобы фотон обладал энергией большей, чем ширина запрещенной зоны. В противном случае подобного поглощения не произойдет. Это наглядно демонстрируется при сравнении прозрачности стекла для видимого и УФ-излучения.

Энергия фотонов видимого излучения меньше, чем ширина запрещенной зоны стекол (или других прозрачных материалов). Поэтому они не поглощаются электронами материала и видимый свет проходит через стекло, делая его прозрачным. В то же время энергия фотонов УФ-излучения больше, чем ширина запрещенной зоны. Происходит поглощение энергии фотонов и возбуждение электронов, и стекло становится непрозрачным для УФ-излучения.

Необходимо отметить, что есть стекла, прозрачные в ультрафиолете (до определенного предела), например кварцевые, состоящие из чистого SiO2. Их структура такова, что ширина запрещенной зоны превышает энергию фотонов УФ-излучения.

В то же время есть много прозрачных, но окрашенных стекол — это результат химической технологии стекла. В состав стекол вводят ионы или наночастицы, которые взаимодействуют с фотонами видимого света с определенной энергией. В результате происходит поглощение света на определенной длине волны, что выражается в видимой нами окраске стекла. Также есть стекла, прозрачные только в УФ-диапазоне и непрозрачные в видимом диапазоне ЭМИ. В их состав введены красители, которые поглощают все фотоны видимого света. При этом ширина запрещенной зоны такого стекла достаточна для прохождения фотонов УФ-диапазона (стекла марки УФС).

Более того, прозрачными могут быть не только привычные нам диэлектрики, но и материалы, которые на первый взгляд совсем непрозрачны в видимом диапазоне. Пример тому — оптическая керамика, которая, как и обычная керамика, представляет собой спеченные частицы кристаллической фазы. Любая керамика является типичным диэлектриком и удовлетворяет требованиям ширины запрещенной зоны: она достаточно велика, чтобы фотоны видимого света не поглощались электронами. Однако непрозрачность обычной керамики связана с тем, что размер спеченных частиц очень велик и свет рассеивается на границах этих частиц. В оптической керамике для спекания используются нанопорошки. В результате материал состоит из спеченных нанокристаллов с размерами, во много раз меньшими длины волны видимого света, что позволяет ему проходить через материал, делая его прозрачным.