چرا نور از شیشه عبور می‌کند؟

آیا تابه‌حال ساختن یک ساختمان چوبی را تماشا کرده‌­اید؟ نجاران ابتدا اسکلت اصلی سازه را با استفاده از ناودانی 2 در 4 برپا می­‌کنند. سپس یک غلاف که معمولاً از تخته سه‌لایه تشکیل شده است را با گل‌میخ‌ها میخکوب می­‌کنند تا دیوار را بسازند. اکثر دیوارها یک دریچه دارند که پنجره را در داخل آن تعبیه می­‌کنند. پنجره­‌ها باعث می­‌شوند که فضای خانه روشن شود و ساکنان آن حس دلپذیر گرما و نور را تجربه کنند، چرا که نور آفتاب را از طریق پنجره‌­ها به منزل خود راه داده­‌اند. اما چرا یک پنجره شیشه­‌ای بایستی شفاف­‌تر از چوبی باشد که آن را احاطه کرده است؟ با این‌که هر دو مواد جامدی هستند و از باران و باد و برف جلوگیری می‌­کنند، اما شیشه می‌­تواند نور را از خود عبور دهد در حالی‌که چوب این ویژگی را ندارد. در این مقاله قصد داریم به بررسی دلایل شفاف بودن شیشه و ویژگی عبور نور از آن بپردازیم. با ما همراه باشید.

چرا شیشه شفاف است؟

در مقدمه این متن گفتیم که شیشه می­‌تواند نور را از خود عبور دهد درحالی‌که چوب از چنین مزیتی برخوردار نیست. ممکن است شنیده باشید که برخی از افراد و یا حتی برخی از کتاب­‌های درسی علوم، درصدد هستند که این مسئله را با بیان این که چوب یک ماده جامد واقعی است و شیشه مایعی بسیار چسبناک است، توضیح دهند. سپس استدلال می­‌کنند که اتم­‌های سازنده شیشه از هم دور هستند و این امر موجب می­‌شود که نور بتواند از شکاف بین آن­ها عبور کند.

آن­ها برای اثبات استدلال­‌های خود ممکن است به پنجره­‌های منازل چندصدساله اشاره‌­ای کنند که اغلب مواج و ضخیم به نظر می­‌رسند و از آن به عنوان مدرکی که نشان می‌­دهد پنجره‌ها در طول سال مانند خزیدن آهسته­‌ی ماده­‌ی ملاس در یک روز سرد، حالتی جریان­‌مانند از خود بروز می‌دهند و این را عامل عبور نور بدانند.

ماهیت شیشه

در حقیقت شیشه اصلاً مایع نیست، بلکه نوع خاصی از مواد جامد است که تحت عنوان جامد بی‌­شکل شناخته می­‌شود. جامد بی­‌شکل حالتی از ماده است که در آن اتم‌­ها و مولکول­‌ها در جای خود قفل می‌­شوند، ولیکن به‌جای تشکیل کریستال‌­های منظم و منسجم، به طور تصادفی به خود شکل و حالت می­‌دهند. در نتیجه، شیشه­‌ها از لحاظ مکانیکی مانند جامدات سفت‌وسخت هستند، اما آرایش مولکول‌هایشان مانند مایعات نامرتب و نامنظم است. جامدات بی‌شکل طی فرایندی تشکیل می­‌شوند که یک ماده جامد در دماهای بالا ذوب شده و سپس به‌سرعت سرد می‌­شود. این فرایند را تحت عنوان کوئنچ (Quenching) معرفی می‌­کنند.

ویژگی های شیشه

از بسیاری جهات، شیشه­‌ها مانند سرامیک­‌ها هستند و اکثر ویژگی­‌های آن­ها را دارند:

• دوام
• استحکام و شکنندگی
• مقاومت الکتریکی و حرارتی بالا
• عدم واکنش‌­پذیری شیمیایی.

شیشه اکسید، مانند شیشه­‌های تجاری که در شیشه­‌های ورقی و صفحه‌­ای، ظروف و لامپ‌ها مشاهده می­‌کنید، ویژگی­‌های مهم دیگری نیز دارد. در طیفی از طول موج­‌ها که تحت عنوان نور مرئی شناخته می­‌شوند، شفافیت خود را بروز می­‌دهند. برای درک علت این مسئله، بایستی نگاهی دقیق‌­تر به ساختار اتمی شیشه انداخته و متوجه شویم که وقتی فوتون­‌ها (کوچک­ترین ذرات نور) با آن تعامل می‌­کنند و واکنش نشان می­‌دهند، چه اتفاقی رخ می­‌دهد. در ادامه به بررسی این امر می‌پردازیم.

برای آشنایی بیشتر با انواع نورها از لحاظ مرئی یا نامرئی بودن، توصیه می‌کنیم مقاله نور مرئی و نامرئی چیست؟ را مطالعه کنید.

رفتار الکترون‌ها و فوتون‌های نور

ذرات ریز نور که تحت عنوان فوتون شناخته می‌­شوند، هنگامی که با سرعت معینی به سطوح شیشه­‌ای برخورد می‌­کنند، رفتار مشخصی دارند. ساختار اتمی شیشه همان چیزی است که باعث می‌­شود فوتون­‌ها به‌طرز منحصربه‌فردی با نور برهم ‌کنش داشته باشند. فوتون­‌ها مانند اتم هستند. الکترون­‌ها بخشی از هسته اتمی هستند که در سطوح انرژی مختلف، در آن وجود دارند. در ادامه بایستی به یادآورید که الکترون‌ها هسته یک اتم را احاطه کرده و سطوح انرژی متفاوتی را اشغال می‌­کنند. برای حرکت از سطح انرژی پایین­‌تر به سطح بالاتر، یک الکترون باید انرژی بگیرد و بالعکس برای حرکت از سطح انرژی بالاتر به سطحی پایین‌­تر، یک الکترون باید انرژی خود را آزاد کند. در هر صورت، الکترون تنها می‌­تواند انرژی را در بسته­‌های مجزا به دست آورد و یا آزاد کند. حال بیایید فوتونی را در نظر بگیریم که به سمت یک ماده جامد حرکت می‎کند و با آن برهم‌کنش دارد. یکی از سه حالت زیر ممکن است رخ دهد:

۱. این ماده فوتون را جذب می‌­کند و این زمانی رخ می­‌دهد که فوتون انرژی خود را به الکترونی که در بطن ماده قرار گرفته است. با دریافت این انرژی اضافی، الکترون می‌­تواند به سطح انرژی بالاتر حرکت کند، درحالی‌که فوتون ناپدید می‌­شود.

۲. این ماده فوتون را انعکاس و بازتاب می‌­دهد. برای انجام این کار، فوتون انرژی خود را به ماده (متریال) می‌­دهد، اما یک فوتون با انرژی یکسان ساطع می‌شود.

۳. این ماده اجازه می‌­دهد فوتون بدون تغییر عبور کند. این فرایند را تحت عنوان انتقال می‌شناسند، چرا که این فوتون با هیچ الکترونی برهم‌کنش نمی­‌کند و به سفر خود تا زمانی که با جسم دیگر برهم‌کنش کند، ادامه می­‌دهد.

تعییر رفتار فوتون ها در برابر سطح شیشه

البته شیشه در دسته آخر قرار می­‌گیرد. فوتون­‌ها از ماده عبور می‌­کنند، چرا که انرژی کافی برای برانگیختن الکترون شیشه­‌ای را به سطح بالاتری از انرژی ندارند. فیزیک‌دانان گاهی اوقات راجع به این موضوع بر اساس نظریه نوار (Band Theory) اظهارنظر می‌­کنند که بیان می‌کند سطوح انرژی همراه باهم در مناطقی وجود دارند که تحت عنوان نوار انرژی (Energy Bands) شناخته می‌­شوند. در بین این نوارها، مناطقی به اسم شکاف نواری (Band Gaps) وجود دارد که در آن برای الکترون­‌ها هیچ سطحی از انرژی وجود ندارد. برخی از موارد نیز دارای شکاف نواری بزرگ­تری نسبت به سایرین هستند. شیشه یکی از آن موارد است، به این معنا که الکترون‌های آن پیش‌ازاین که بتوانند از یک نوار انرژی به نوار دیگر بروند و مجدداً بازگردند، به انرژی بسیار بیشتری نیاز دارند. فوتون­‌های نور مرئی (نور با طول موج ۴۰۰ تا ۷۰۰ نانومتر، مرتبط با رنگ‌­های بنفش، نیلی، آبی، سبز، زرد، نارنجی و قرمز) صرفاً انرژی کافی برای ایجاد این جهش را ندارند. در نتیجه، فوتون­‌های نور مرئی به‌جای جذب یا انعکاس، از شیشه عبور می‌­کنند و شیشه را شفاف می‌­کنند. این دلیلی است که نور از شیشه عبور می‌کند.

در طول موج­‌های کوچک‌­تر از نور مرئی، فوتون­‌های انرژی کافی برای حرکت الکترون‎های شیشه از یک نوار انرژی به نوار دیگر دارند. به‌عنوان‌مثال، نور ماوراءبنفش که طول موجی بین ۱۰ تا ۴۰۰ نانومتر دارد، نمی­تواند از اکثر شیشه­‌های اکسیدی، مانند شیشه­‌های پنجره، عبور کند. در نتیجه این باعث می‌شود که یک پنجره، همان اندازه در برابر نور ماوراء بنفش کدر باشد که چوب در برابر نور مرئی کدر است.

نور مادون‌قرمز شکلی از امواج الکترومغناطیسی است که از طول موج­‌های بلندتر نسبت به نور مرئی تشکیل شده است. نور مرئی توسط الکترون­‌های شیشه جذب نمی‌­شود، بنابراین از آن عبور می­‌کند. طول موج­‌های خاصی از نور مادون‌قرمز نیز می‌­تواند از شیشه عبور کند، اما بسیاری از آن­ها با جذب انرژی مسدود می­‌شوند.

سرعت نور در شیشه

نور با سرعت تقریبی ۳۰۰هزار کیلومتر در ثانیه در خلأ حرکت می­کند که ضریب شکستی برابر با یک دارد، اما سرعت نور در آب به ۲۲۵هزار کیلومتر در ثانیه کاهش می­‌یابد و ضریب شکستی برابر با  دارد. اما سرعت نور در شیشه کمتر از دو حالت قبل است و برابر با ۲۰۰هزار کیلومتر در ثانیه است و ضریب شکست آن بیش از دو مورد دیگر، یعنی برابر با  است. برای آشنایی با سرعت نور در شرایط مختلف، مقاله سرعت نور در محیط‌های مختلف را بررسی کنید.

بررسی عبور نور از شیشه‌­های رنگی

شیشه‌های رنگی نمی­‌توانند نور را منعکس کنند، بلکه تنها می‌توانند آن را جذب کنند. همچنین آن­ها نمی‌­توانند رنگ نور را تغییر دهند، چرا که نور در این حالت نیز رنگ­‌های مختلفی دارد. به دلیل شدت نور، چشم غیرمسلح انسان نور را تنها به رنگ سفید می­‌بیند، اما نور در سایه­‌های مختلفی مانند زرد، سبز، قرمز، آبی، نارنجی، نیلی و بنفش نیز وجود دارد. به عبارتی شما تنها زمانی رنگ‌­هایی مانند رنگین‌کمان را می‌­بینید که شدت نور بسیار کم باشد. در فرایند تولید شیشه­‌های رنگی، مواد شیمیایی خاصی با شیشه مایع مخلوط می­‌شوند تا شیشه­‌های رنگی ساخته شوند. این کار به آن­ها اجازه می­‌دهد تا گرم شوند و بتوانند فرکانس­‌های مختلف نور را جذب کنند. به این فرایند تغلیظ یا ناخالص سازی (Doping) می­‌گویند.

شیشه‌های رنگی، رنگ نور را تغییر نمی­‌دهند، بلکه در عوض همه چیز را فیلتر کرده و تنها رنگ شیشه را حفظ می‌کند. در این حالت شیشه آبی تنها می‎تواند نور آبی را از خود عبور دهد. فرض بر این است که منبع نور سفید است، بنابراین شما نمی‌توانید نور قرمز را ببینید که از شیشه آبی عبور می­‌کند، چرا که شیشه آبی‌رنگ همه رنگ‌های دیگر غیر از رنگ خود را مسدود می‌­کند.

شیشه­‌های شفاف و انعکاس نورها در رنگ‌­های مختلف

نور طبیعی در رنگ‌­های مختلف وجود دارد. نور LED از ترکیبی منحصربه‌فرد از رنگ­‌های مختلف ساخته شده است. اگر این رنگ­‌ها هنگام عبور از شیشه دچار شکست شوند، رنگ­‌ها نمایان می­‌شوند و می‌­توانیم آن­ها را ببینیم. یک منشور شیشه‌مانند می‌­تواند نور را از هر منبع مشخص جدا کند. سایر عوامل که می‌­توانند بر انعکاس نور در شیشه تأثیر بگذارند عبارت‌اند از شیشه­‌های رنگی یا شیشه­‌ای که با نقاط یا خطوط ریز حک شده است.

نور مرئی متشکل از ۷ رنگ اصلی است. برای اینکه این نورها را از نور مرئی که اصولا سفید است، استخراج کنیم، باید این نور را تجزیه کنیم. توصیه می‌کنیم برای آشنایی با تجزیه نور مقاله چگونه نور را تجزیه کنیم؟ را مطالعه کنید.

شرح ریاضی و فیزیکی انتقال نور از شیشه

هر نوری که توسط شیشه جذب نشده و در سطح آن منعکس نشود، از طریق شیشه منتقل می‌­شود. معمولاً بسیار مهم است که بدانیم دقیقاً چه مقدار نور در طول موج‌های مشخص از یک شیشه عبور می­‌کند و همچنین معمولاً عینک را از لحاظ قابلیت عبور یا انتقال مورد‌بحث قرار می‌­دهند. اطلاعات مشابهی توسط هر دوی این اصطلاحات ارائه می­‌شود، اما انتقال با دامنه­­‌ای از صفر تا ۱۰۰ درصد و انتقال از صفر تا یک گزارش شده است.

انتقال خارجی، از شدت نور تابشی I₀  و شدت نور خروجی از شیشه I محاسبه می­‌شود و آن بازتاب سطح را به‌حساب می‌­آورد. از طرف دیگر انتقال داخلی شمال هدررفت‌های بازتابی نمی‌شود و میزان آن شدت نور پس از ورود به شیشه (I₁) و پیش از خروج از شیشه (I₂) تعیین می‌­شود.

انتقال نیز که اغلب تحت عنوان انتقال داخلی گزارش می­‌شود، به شکل زیر تعریف می‎شود:

انتقال یا عبور خارجی هم شامل ازدست‌دادن جذب مواد و هم شامل ازدست‌دادن نور به دلیل انعکاس در هر دو سطح شیشه­‌ای می­‌شود، درحالی‌که عبور داخلی تنها شامل هدررفت جذبی مواد می‌­شود.

کلام آخر

در این مقاله ابتدا یک توضیح ساده از علت عبور نور از شیشه و شفافیت آن بیان کردیم. سپس در ادامه به صورت علمی و با نگاه به ذرات هسته­ای و تشکیل­دهنده­ی شیشه و نور، انتقال نور از شیشه را شرح دادیم. پس از آن به بررسی چگونگی رفتار و عملکرد شیشه­های رنگی در قبال جذب و انتقال نور پرداختیم و در پایان نیز به شرح علمی دقیق­تر و ریاضیاتی، انتقال، ورود و خروج نور از شیشه را شرح دادیم. امیدواریم که نهایت استفاده را از این مطلب برده باشید.

سؤالات متداول:

آیا شیشه، نور مادون‌قرمز را از خود عبور می­‌دهد؟

نور مادون‌قرمز شکلی از امواج الکترومغناطیسی است که از طول موج­‌های بلندتر نسبت به نور مرئی تشکیل شده است. نور مرئی توسط الکترون­‌های شیشه جذب نمی‌­شود، بنابراین از آن عبور می­‌کند. طول موج‌­های خاصی از نور مادون‌قرمز نیز می­‌تواند از شیشه عبور کند، اما بسیاری از آن­ها با جذب انرژی مسدود می­‌شوند.

آیا سرعت عبور نور از شیشه نسبت به‌سرعت نور در سایر موارد بیشتر است؟

خیر، نور با سرعت تقریبی ۳۰۰هزار کیلومتر در ثانیه در خلأ حرکت می­‌کند که ضریب شکستی برابر با یک دارد، اما سرعت نور در آب به ۲۲۵هزار کیلومتر در ثانیه کاهش می­‌یابد و ضریب شکستی برابر با 1/3 دارد. اما سرعت نور در شیشه کمتر از دو حالت قبل است و برابر با ۲۰۰هزار کیلومتر در ثانیه است و ضریب شکست آن بیش از دو مورد دیگر، یعنی برابر با 1/5 است.

آیا تمام انواع نور از شیشه عبور می­‌کنند؟

بله، در مورد اجسامی که شفاف هستند، همه امواج نور از آن­ها عبور می­‌کنند. اجسام شفاف انتقال کامل امواج نور را از طریق یک شئ نشان می‌­دهند. یک جسم شفاف به نظر می‌رسد، زیرا امواج نور بدون هیچ‌­گونه تغییری از آن عبور می­‌کنند؛ به عبارتی موج نور به شکل دقیق و مؤثری از شیشه عبور می‌کند.