Strona głównaPytania → Przezroczystość ciał

Przezroczystość ciał

Pytanie

Pyta Maciek

Ostatnio oglądając zdjęcia szklanego mostu zbudowanego nad Wielkiem Kanionem zacząłem się zastanawiać nad tym jaka cecha ciał powoduje to, że są one przezroczyste? Czy zależy to od struktury budowy ciała czy też od składników je budujących? Co powoduje, że niektóre ciała są przezroczyste, a niektóre nie i czy niektóre ciała nieprzezroczyste mogą stawać się w pewnych określonych warunkach przezroczyste?

Odpowiedź

Odpowiada Jan Gaj

Ciała są przezroczyste, jeżeli światło z zakresu widzialnego (całego lub jakiejś jego części) może przechodzić przez nie bez przeszkód. Przeszkodą mogą być zasadniczo dwa zjawiska: pochłanianie i zmiana kierunku (odbicie, rozpraszanie). Rozpraszanie lub wielokrotne odbicia mogą uczynić nieprzezroczystym ciało niejednorodne, jak na przykład mleko, w którym znajdują się małe kropelki tłuszczu, lub śnieg zbudowany z licznych (zresztą pięknych) kryształków. Niejednorodność może też być celowo wywołana, na przykład w strukturach warstwowych zwierciadeł dielektrycznych, ale to temat na inną okazję. Obecnie chciałbym się skupić na właściwościach ciał jednorodnych.

Odbicie jest przyczyną nieprzezroczystości metali. W każdym materiale zawierającym swobodne ładunki elektryczne rozkładają się one w taki sposób, żeby zaekranować wnętrze ciała, to znaczy żeby nie było w nim pola elektrycznego. Jeżeli zaburzymy ten rozkład ładunku, powstanie pole elektryczne dążące do przywrócenia stanu równowagi. To pole, a więc i siła działająca na nośniki ładunku (elektrony), są proporcjonalne do wychylenia ich z położenia równowagi, a więc prowadzą do powstania drgań ładunku z określoną częstością, zwaną częstością plazmową. Częstość plazmowa w metalach jest większa od częstości drgań pola elektrycznego fali świetlnej z obszaru widzialnego. Dlatego gdy taka fala pada na metal, elektrony nadążają zaekranować jego wnętrze i fala nie przenika do środka, ale zostaje odbita. Stąd pierwszym warunkiem przezroczystości jest żeby swobodnych nośników ładunku było dostatecznie mało, by częstość plazmowa była mniejsza od częstości fal światła widzialnego. Ten warunek jest spełniany przez izolatory i wiele półprzewodników.

Absorpcja – druga przyczyna nieprzezroczystości ciał jednorodnych – zachodzi, gdy częstość fali świetlnej pokrywa się z częstością drgań własnych ośrodka (z reguły dotyczy to drgań elektronów). Światło pobudza wtedy te drgania rezonansowo i oddaje im swoją energię – jest pochłaniane. Wygodnie jest używać pojęcia fotonów – najmniejszych porcji światła, których energia jest proporcjonalna do częstości fali świetlnej. Foton może zostać pochłonięty i oddać swoją energię elektronowi. Elektrony w ciele stałym (krysztale) mogą tworzyć wiązania między atomami – wtedy nie są swobodne – albo po wyrwaniu z wiązań swobodnie poruszać się po krysztale. Energie elektronów wiązań tworzą pasmo walencyjne, a elektrony swobodne mają energie w paśmie przewodnictwa oddzielonym od pasma walencyjnego przerwą energetyczną. Szerokość przerwy energetycznej to praca potrzebna do wyrwania elektronu z wiązań międzyatomowych. Ciało będzie więc przezroczyste, jeżeli jego przerwa energetyczna będzie większa od energii fotonów światła widzialnego. Wtedy fotony mają za małą energię, by przenosić elektrony do pasma przewodnictwa, i nie są pochłaniane. Ten warunek jest spełniony przez izolatory (szkło, kwarc, diament) i część półprzewodników (na przykład azotek galu, czy siarczek cynku).

Przekształcenie ciała nieprzezroczystego w przezroczyste lub odwrotnie ma wielkie znaczenie w praktyce, na przykład wyświetlacze wielu przyrządów elektronicznych pracują na tej zasadzie. Tam jednak mamy do czynienia ze specjalnymi strukturami, często wykorzystującymi zjawisko polaryzacji światła. W materiałach jednorodnych można zazwyczaj jedynie nieznacznie zmienić przezroczystość na przykład zmieniając wartość przerwy energetycznej naprężeniem lub zmianą temperatury.