Domanda:
Perché il vetro è trasparente?
SMUsamaShah
2011-03-23 11:50:19 UTC
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Una volta ho fatto questa domanda al mio insegnante e lui ha risposto "Perché passa luce". "E perché passa la luce?" Ho chiesto e lui ha risposto: "Perché è trasparente".

Di nuovo la stessa domanda, perché il vetro è trasparente? Perché la luce lo attraversa, mentre per gli oggetti opachi no?

Vedi anche: [Perché l'aria è invisibile?] (Http://physics.stackexchange.com/q/1836/)
Sei risposte:
#1
+68
kakaz
2011-03-23 13:27:21 UTC
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I fotoni passano attraverso il vetro perché non vengono assorbiti. E non vengono assorbiti perché non c'è niente che "assorbe" la luce nelle frequenze visive del vetro. Potresti aver sentito che i fotoni ultravioletti vengono assorbiti dal vetro, quindi il vetro non è trasparente per loro. Esattamente lo stesso accade con i raggi X per i quali il nostro corpo è quasi trasparente mentre una piastra metallica lo assorbe. Questa è una prova sperimentale.

Ogni fotone ha una certa frequenza - che per la luce visibile è correlata al colore della luce, mentre per le frequenze inferiori o superiori nello spettro elettromagnetico è semplicemente una misura dell'energia trasportata da fotone. Lo spettro di assorbimento di un materiale (quali frequenze vengono assorbite e in che misura) dipende dalla struttura del materiale su scala atomica. L'assorbimento può provenire da atomi che assorbono fotoni (ricorda: gli elettroni raggiungono gli stati energetici superiori assorbendo fotoni), da molecole o da reticoli. Ci sono differenze importanti in queste possibilità di assorbimento:

  1. Gli atomi assorbono frequenze discrete ben definite. Di solito i singoli atomi assorbono solo poche frequenze - dipende dallo spettro energetico dei suoi elettroni. Per quanto riguarda l'assorbimento atomico, il grafico dell'assorbimento (tracciato in funzione della frequenza della luce) contiene picchi ben definiti per le frequenze quando si verifica l'assorbimento e nessun assorbimento tra di loro.
  2. Le molecole assorbono frequenze discrete ma lì sono molte più linee di assorbimento perché anche una semplice molecola ha molti più livelli energetici di qualsiasi atomo. Quindi le molecole assorbono molta più luce.
  3. I reticoli cristallini possono assorbire non solo frequenze discrete ma anche bande di frequenze continue, principalmente a causa di discrepanze nella struttura cristallina.

As il vetro è un fluido non cristallino, sovraraffreddato, costituito da molecole, il suo assorbimento avviene nel 1 ° e 2 ° modo, ma a causa della materia di cui è composto, assorbe al di fuori del nostro spettro visibile.

Il vetro assorbe i fotoni: vengono assorbiti dai legami interatomici (fononi) e riemessi, questo è essenzialmente il motivo per cui la velocità della luce nel vetro è più lenta. Appare trasparente perché la direzione della luce è preservata dai legami ordinati e perché si perde poca energia
Grazie, il primo paragrafo è stato più facile da capire e ha risolto abbastanza confusione. Altri tipi di fotoni si comportano come la luce visibile (cioè la luce converge con una lente)
@Martin: a destra, tranne che è chiamato dispersione, non assorbimento.
@LifeH2O - l'immagine che descrivo è molto ben semplificata. Quando provi ad analizzare le interazioni tra luce e materia, ci sono molti processi da prendere in considerazione. Ma dalla forma della domanda presumo che tu abbia bisogno di una risposta di livello base. La vera interazione è quantistica nell'area di assorbimento-emissione, ma può essere dinamica ondulatoria in certe frequenze - ad esempio, l'interferenza dovrebbe essere analizzata, ecc. È piuttosto complicata quando si desidera tenere conto di tutti i fenomeni che possono verificarsi.
@kakaz Perché l'assorbimento del nastro non è escluso in caso di vetro?Nonostante non siano cristallini, anche gli occhiali hanno delle fasce.
@SRS perché in caso di luce visibile, l'assorbimento della banda è un evento del secondo o forse anche del quarto ordine.Ma hai ragione: per una certa frequenza, mi aspetto principalmente la luce ultravioletta ma chiaramente dipende dalla composizione chimica del vetro e dalla struttura molecolare fisica, l'assorbimento della banda può essere maggiore e quindi a volte importante.
#2
+19
Marek
2011-03-23 12:21:04 UTC
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Essenzialmente a causa dell'assorbimento. Quando il fotone vola nel materiale, interagisce con i suoi costituenti. Questa interazione può essere suddivisa in due contributi. Uno di loro è elastico ed è la fonte dell'indice di rifrazione (perché in effetti rallenta solo il fotone verso il basso) mentre l'altro è anelastico. Il fotone viene assorbito da un atomo (diciamo) e successivamente viene emesso come radiazione termica in direzione casuale, perdendo così le informazioni originali che trasportava.

Quando guardi questo macroscopicamente, questo processo sarà descritto da qualche parametro come la profondità e l'intensità di penetrazione rispetto a la profondità decadrà in modo esponenziale. Quindi, se rendessi oggetti opachi abbastanza sottili, sarebbero comunque trasparenti (anche se la luce in uscita sarebbe più debole a seconda dello spessore). Naturalmente, questa discussione evita completamente gli effetti di superficie (riflessione, rifrazione, dispersione, ecc.).

Si noti che tutto ciò dipende dalla frequenza della luce incidente. Gli atomi (parliamone solo per semplicità; in realtà ci sarà un contributo anche da molecole, reticolo, elettroni liberi e quant'altro) hanno qualcosa chiamato spettro di assorbimento. Ciò si verifica perché per certe frequenze l'elettrone può catturare il fotone ed eccitarsi allo stato di energia superiore. Quindi, mentre un materiale può essere trasparente in una certa gamma di frequenze (come il vetro è per la luce visibile), può essere piuttosto opaco in altri.

Tutto questo va bene, ma c'è qualcosa di speciale nel vetro in quanto la radiazione (visibile) assorbita dai suoi atomi (o fibre ...) viene emessa * coerentemente * nella stessa direzione. Questo è il motivo per cui il vetro non è solo trasparente ma conserva anche le immagini per es. Perché è così?
Non sono sicuro di cosa tu voglia dire. L'immagine è preservata in ogni materiale trasparente a meno che non possieda una simmetria aggiuntiva (ad esempio i cristalli possono avere proprietà di propagazione e polarizzazione diverse lungo diversi assi -> anisotropia). Ma per i materiali disordinati non esiste una cosa del genere. Il vetro non è diverso da es. aria o acqua: i fotoni si disperdono semplicemente dai singoli costituenti ma l'unico contributo sopravvissuto all'integrale del percorso è la propagazione in linea retta (sebbene più lenta, con conseguente maggiore indice di rifrazione).
@Deepak: è l'interferenza tra i diversi atomi per cui un fotone viene assorbito e poi riemesso che fa sì che i fotoni continuino ad andare nella stessa direzione nel vetro. Non è che un singolo atomo assorba un fotone e lo riemette nella stessa direzione; puoi vederlo perché solo l'interferenza tra diversi atomi porterebbe alla legge di rifrazione di Snell. Credo che Feynman abbia un'ottima spiegazione di questo nel suo libro * QED *, che consiglio vivamente come presentazione elementare della meccanica quantistica.
@Peter, @Marek Capisco che l'interferenza porta a questi effetti. La mia domanda era (è) perché le onde luminose interferiscono in modo costruttivo, piuttosto che distruttivo, nel caso del vetro. Feynman ha anche un capitolo molto carino (credo nel primo volume delle sue lezioni) sull '"origine dell'indice di rifrazione". Ma il modello che usa è quello di un reticolo di dipoli. Non vedo perché per una sostanza come il vetro, senza un evidente ordine di fondo, una descrizione del genere dovrebbe funzionare. Spero di essere stato chiaro (er).
@Deepak: Quello che credo tu abbia bisogno è che ogni evento di assorbimento-riradiazione faccia approssimativamente la stessa cosa per la luce (e non cambia radicalmente la fase).
@Deepak: in realtà, queste questioni sono * molto * più semplici nei materiali disordinati (fluidi, di cui il vetro è un abitante speciale) che nei materiali ordinati (dove i fotoni possono interagire con il reticolo) e in particolare nei semiconduttori (dove c'è una complicata interazione con la struttura delle bande ). Quindi, in conclusione, se capisci perché questa roba funziona ad es. gas ideale, hai finito. In caso contrario, fai una domanda;)
#3
+10
Rory
2012-04-12 06:10:56 UTC
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Questo può essere un po 'tecnico, ma ho sempre pensato che fosse bello: uno dei miei professori una volta ha sottolineato che la trasparenza accade solo perché il materiale è (approssimativamente) una dialettica lineare sulla gamma di frequenze a cui tieni. Si scopre che l'acqua è un dielettrico lineare esattamente sulla gamma di frequenze che i nostri occhi possono rilevare. coincidenza?

Commento interessante. Non è la risposta migliore ma interessante. Stai suggerendo che questo sia causato dall'evoluzione?
@mick potrebbe essere un fattore nell'evoluzione ma ce ne sono altri.La gamma visibile è anche nel picco della radiazione solare (che è chiaramente un fenomeno indipendente dall'assorbimento della luce dell'acqua ma può anche aver influenzato l'evoluzione)
#4
+9
Burley
2013-09-26 18:25:05 UTC
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Ci sono un sacco di sciocchezze su questo. NON è un liquido molto denso, rigido o freddo, né è dovuto a come è ordinata la struttura. In termini semplici si tratta solo degli elettroni nella sostanza. Quando il fotone di luce entra in una sostanza, interagirà con un elettrone cambiando il suo stato energetico.

PUNTO CHIAVE - Gli elettroni possono esistere solo a livelli di energia fissi (a bande).

Nel materiale opaco comune, ci vuole una piccola quantità di energia per spostare l'elettrone dal suo stato energetico di riposo ad uno stato di energia superiore, quindi il fotone a bassa energia della luce visibile viene assorbito, trasferendo la sua energia all'elettrone che a sua volta si sposta in uno stato di energia leggermente superiore.

In materiale trasparente molto più raro la distanza tra il livello di energia di riposo degli elettroni e il successivo stato superiore è molto maggiore. Quindi, poiché l'elettrone può essere solo "a riposo" o MAI ad un alto livello di energia nel mezzo, il piccolo fotone di luce visibile non trasporta abbastanza energia da trasferire all'elettrone per farlo saltare allo stato superiore. Quindi mantiene il suo potere, non viene assorbito e passa attraverso il materiale. Ehi presto, guarda attraverso.

Alcuni vetri lasciano passare solo la luce di un certo colore. Questo perché la luce di colore diverso ha diversi livelli di energia e quindi, a seconda dell'energia necessaria per "spostare" gli elettroni in uno stato di energia superiore, alcuni colori saranno abbastanza forti e assorbiti e altri no e passeranno

NOTA , Sto semplificando un po ', ad esempio non "passa" letteralmente in quanto tale, il modo in cui elettrone e fotone interagiscono è meccanico quantistico e niente di tutto questo include polarizzazione, riflessione ecc. . Detto questo su scala macro, senza i dettagli quantistici (che richiederebbero anni per insegnare) questo è ciò che sta accadendo.

Allora perché la luce viaggia a una velocità diversa nel vuoto, se non viene assorbita nei materiali trasparenti?
#5
  0
Cang Ye
2019-07-10 11:17:40 UTC
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Non vi è alcun processo di assorbimento e riemissione quando la luce viaggia in un mezzo trasparente.Il mezzo assorbe una parte della luce, ma non avviene alcuna riemissione o la riemissione è così piccola da poter essere trascurata.

L'assorbimento non fa transitare gli elettroni a livelli di energia più elevati, ma per aumentare il loro movimento casuale cinetico, inclusa la vibrazione casuale dell'atomo.Ciò si traduce in un aumento della temperatura del vetro.

Alcune sostanze fluorescenti assorbono la luce visibile e la riemettono.Quando ciò accade, dopo che la luce visibile è stata spenta, la materia ha una sua luce emessa per un po '.Ciò implica la transizione dei livelli di energia degli elettroni.

#6
-1
springy
2016-06-14 04:49:26 UTC
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Questa risposta è un po 'circolare e simile a quella di Burley.I materiali trasparenti hanno un accoppiamento elettromagnetico uniforme tra le sue molecole.Pensa al vetro come a una serie uniforme di minuscoli condensatori.



Questa domanda e risposta è stata tradotta automaticamente dalla lingua inglese. Il contenuto originale è disponibile su stackexchange, che ringraziamo per la licenza cc by-sa 2.0 con cui è distribuito.
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