Марк Медовник - Из чего это сделано? Удивительные материалы, из которых построена современная цивилизация

Стекло состоит из атомов кремния и кислорода. В центре каждого атома находится ядро из протонов и нейтронов, окруженное разным количеством электронов. Размеры ядра и отдельных электронов ничтожны по сравнению с размером всего атома. Если бы атом был стадионом, то ядро было бы горошиной в центре поля, а электроны – песчинками на трибунах. Итак, любой атом – и, следовательно, любой материал – состоит в основном из пустоты. А это означает, что у света достаточно пространства, чтобы он мог проходить сквозь атом, не сталкиваясь ни с электронами, ни с ядром. Собственно, так и есть, поэтому в действительности вопрос должен звучать не «Почему стекло прозрачное?», а «Почему не все материалы прозрачны?».

На этом наброске видно, что атом по большей части состоит из пустоты

Если продолжить аналогию со стадионом, то внутри атома электронам позволено находиться лишь в определенных зонах трибун, как если бы почти все сиденья были демонтированы и осталось несколько рядов, предназначенных для электронов. Если какой-нибудь электрон хочет занять ряд получше, ему придется доплатить, и валютой в данном случае послужит энергия. Проходя через атом, свет несет с собой энергию, и если ее достаточно, электрон воспользуется ею для перемещения на другой ряд. При этом он поглотит свет, не пропуская его сквозь вещество.

В этом вся загвоздка. Энергии света должно быть ровно столько, сколько требуется электрону, чтобы переместиться на другой ряд. Если ее слишком мало (в верхнем ряду нет свободных мест, иначе говоря, для перемещения требуется больше энергии), то электрон не сдвинется с места и свет не будет поглощен. Идея того, что электроны не могут перемещаться между рядами (энергетическими уровнями), если количество энергии света не соответствует требуемой величине, лежит в основе теории, управляющей атомным миром, – квантовой механики. Расстояния между рядами соответствуют определенным порциям энергии – квантам, и они в стекле таковы, что для перемещения в свободный, более высокий ряд требуется гораздо большая порция энергии, чем та, которую можно получить, поглощая видимый свет. Следовательно, видимому свету недостает энергии, чтобы сдвинуть с места электрон, и ему не остается ничего иного, как пройти сквозь атом. Вот почему стекло прозрачно. С другой стороны, свет, обладающий высокой энергией, например ультрафиолетовое излучение, способен перемещать электроны на более высокий энергетический уровень, поэтому стекло для него непроницаемо. Поэтому нельзя загореть через стекло, ведь оно задерживает ультрафиолетовое излучение. У таких непрозрачных материалов, как дерево и камень, много «свободных мест» в рядах, поэтому они эффективно поглощают и видимый свет, и ультрафиолетовое излучение.

Свет, хоть и не поглощаемый стеклом, по мере движения через атомы теряет скорость и снова ее набирает, когда выходит с той стороны стекла. Если свет падает под углом, то разные части луча входят в стекло и выходят из него в разное время и с разной скоростью. Этими легкими различиями объясняется преломление света – эффект, используемый в оптических линзах: из-за кривизны стекла свет, попадающий на линзу в разных местах поверхности, преломляется под разными углами. Используя линзы с разной кривизной поверхности, мы можем увеличивать изображение с помощью телескопов и микроскопов, а также корректировать зрение с помощью очков.

Благодаря эффекту преломления свет сам по себе стал объектом эксперимента. За многие века стеклодувы, конечно, замечали, что, когда солнечный свет падает на стекло под определенным углом, на стене появляются маленькие радуги. Никто, однако, не смог бы объяснить причину этого явления – лишь констатировать очевидное: цвета радуги каким-то образом зарождаются в стекле. О том, что эта очевидность обманчива, первым догадался Исаак Ньютон в 1666 году. Тогда же он предложил собственное, правильное объяснение радуги.

Ньютон гениально подметил, что стеклянная призма не только превращает «белый» свет в радугу, но и, наоборот, радугу – в «белый» свет. Из этого он сделал вывод, что все цвета, полученные с помощью стекла, до этого уже содержались в самом свете. Луч солнца – это смешанный свет, который, проходя сквозь стекло, распадается на составляющие цвета. Кстати, с каплей воды на свету происходит то же самое, ведь и она прозрачна. Ньютон, таким образом, объяснил сразу все важнейшие свойства радуги – до него это никому не удавалось.

Эксперимент Ньютона продемонстрировал силу научной мысли и роль стекла как пособника в раскрытии тайн природы. Роль эта не сводилась к одной только оптике. Возможно, больше других научных дисциплин от появления стекла выиграла химия. Достаточно заглянуть в любую химическую лабораторию, чтобы в этом убедиться. Благодаря прозрачности и инертности стекло идеально подходит для смешивания химикатов и наблюдения за реакцией. До изобретения стеклянной пробирки использовались непрозрачные мензурки, поэтому трудно было увидеть ход реакции. С появлением стекла, особенно термостойкой марки «Пайрекс» ( PYREX ), химия как системная наука получила огромный импульс к развитию.

Пайрекс – это стекло с добавкой оксида бора, который, подобно диоксиду кремния, тяжело образует кристаллы и, что еще важнее, препятствует расширению стекла при нагревании и сжатию при охлаждении. Когда разные участки стекла находятся в разных температурных зонах, расширяясь и сжимаясь с разной скоростью, нарастающее напряжение вызывает трещины, и стекло в конце концов разлетается на куски. Если это происходит с сосудом с кипящей серной кислотой, дело может кончиться увечьем либо гибелью людей. Боросиликатному стеклу пайрекс не угрожают расширение и сжатие под влиянием нагревания и охлаждения, а также связанное с этими процессами напряжение. Химики могут нагревать и охлаждать препараты как угодно, думая только о науке, а не о потенциальной опасности термошока.

Также ученые могут гнуть стеклянные трубки и пробирки непосредственно в лаборатории с помощью одной лишь паяльной лампы, что значительно упрощает конструирование сложного химического оборудования, например дистилляционных и герметичных сосудов. Можно собирать газ, управлять давлением жидкости, отпускать на волю химические реакции. Химия до такой степени зависит от стеклянной посуды, что в штате любой химической лаборатории имеется стеклодув. Сколько лауреатов Нобелевских премий обязаны стеклу своими открытиями и сколько современных изобретений было зачато в стеклянной пробирке?