Dlaczego szkło jest przezroczyste, a metale - nie ?

 

Na salonie 24 ,w domenie naukowej, a dokładnie “Kultury” ,pojawiła się “nowa fizyka”. Jej nowość polega -jak na razie- na tym ,że dotychczasowa fizyka uznawana jest przez twórców “nowej fizyki” za błędna i winna być wymazana z programów szkolnych.

W związku z powyższym, niektórzy z nas, co to uprawiają zawodowo starą fizykę, pełną bzdur, zaczynają tracić głowę i na pytanie :”dlaczego szkło jest przezroczyste” bąkają ,że tego, czy owego nie pamiętają ,dając tym samym wolne boisko do tego, by “nowofizyczni” rozpoczęli wyjaśnianie tego zjawiska za pomocą gry słownej w rodzaju :

*posuwisto-spiralny ruch electrino w strumieniu światła, lub :

*grawitor fotonowy w przestrzeni o wymiarze krzywizny kołowej przechodzącej stopniowo w elipsę.

Wyprzedzając ów czad “nowej fizyki” przedstawię odpowiedź na pytanie tytułowe niniejszego postu.

Każdy atom dowolnego pierwiastka można przedstawić na diagramie energetycznym((rys.1), gdzie na dnie dołu jest jądro a kreski poziome reprezentują  wartości energii pojedynczego elektronu.Są to poziomy energetyczne dozwolone dla elektronu.

Rys.1.

 

Ten swojego rodzaju dół, albo jama, w żargonie fizycznym zwany jest jamą potencjału elektrycznego jądra atomu. Im wyżej położona kreska pozioma, tym wyższą energię ma elektron znajdujący się w tej jamie.

Energia elektronu, to suma energii potencjalnej elektrycznej oraz kinetycznej. Kiedy ta suma przyjmie wartość zero, to elektron jest swobodny i układ kwantowy: “jądro-elektron” przestaje istnieć.

Między poziomami energii są przerwy- są to poziomy zabronione dla elektronu, tam nigdy elektronu nie ma. Elektron może przechodzić z jednego poziomu dozwolonego na drugi ,też dozwolony, ale nigdy nie zaistnieje między tymi poziomami.

Na jednym i tym samym poziomie nie mogą przebywać dwa elektrony o tych samych ,czterech liczbach kwantowych(n,m,l,s).Jest to treść znanego zakazu Pauliego- Rubinowicza.

Taki model energetyczny atomu ,przedstawiony przez Schroedingera w 1929 roku (który zastąpił model Bohra-Sommerfelda ),wynika z analizy rozwiązań równania falowego Schroedingera dla układu “jądro-elektron”.

Co się dzieje, gdy mamy zbiór atomów w postaci np. uporządkowanego zbioru atomów ciała stałego o krystalicznej strukturze?

Co się dzieje, gdy nakładają się na siebie funkcje falowe “psi” sąsiadujących ze sobą atomów?

Jak zmieniają się poziomy energetyczne w pojedynczych atomach ,tych jamach potencjału elektrycznego?

Dokładne rachunki pokazują ,że poziomy energetyczne ulegają rozszczepieniu tworząc w jakimś elemencie objętości kryształu tzw. pasma energetyczne (rys.2).

 

 

Rys.2

Poziomy energetyczne dozwolone pojedynczych atomów (a teraz sąsiadujących ze sobą czyli działających na siebie) tworzą pasma dozwolone, a poziomy energetyczne wzbronione dla elektronów- pasma energii wzbronionych ,zwane przez techników – przerwą energetyczną.

W pasmach energii dozwolonych mogą wystąpić trzy sytuacje:

W ciałach stałych, mamy dwa pasma energii dozwolonych, przedzielone pasmem energii wzbronionych (przerwa energetyczna).Pasmo o najniższych wartościach energii nazywa się pasmem walencyjnym (rys.3), a pasmo o najwyższych wartościach energii – pasmem przewodnictwa.

 

Rys.3.

Rozdziela je pasmo energii wzbronionych (przerwa energetyczna)- tam elektrony przebywać nie mogą.

We wszystkich ciałach stałych ,z wyjątkiem metali, w normalnych warunkach pasmo przewodnictwa jest puste. Dotyczy to więc izolatorów i półprzewodników. Najwęższe pasmo wzbronione jest w metalach ,a najszersze w izolatorach.

Szkło – jako izolator elektryczności-ma model pasmowy pokazany na rys.4.

 

Rys.4.

Pasmo walencyjne jest całkowicie zapełnione elektronami, pasmo energii wzbronionych bardzo szerokie, pasmo przewodnictwa puste. Jeżeli teraz na płytkę szkła(potasowego lub flintowego, są to najczęściej używane rodzaje szkła) skierujemy strumień światła, to fotony posiadające energie: barwy fioletowej – największą, a barwy czerwonej – najmniejszą ,mimo wszystko mają za małe energie, by elektrony z pasma walencyjnego, po pochłonięciu dowolnego z nich ,pokonały szerokie pasmo energii wzbronionych i przedostały się do pasma przewodnictwa.

Wobec tego, bez przeszkód światło przechodzi przez płytkę szkła ,czyniąc ją dla nas przezroczystą. Energia fotonów promieniowania widzialnego jest za mała by elektrony po pochłonięciu jej przedostały się do pasma stanów pustych.

Ale to samo szkło nie jest przezroczyste dla fotonów (lepiej powiedzieć-kwantów) promieniowania ultrafioletowego. Ich energia bowiem jest tak duża ,że elektron może pochłonąć kwant ultrafioletu i przeskoczyć przez barierę energetyczną do pasma przewodnictwa ,którego stany są puste, nie obsadzone.

Szkło dla promieniowania ultrafioletowego nie jest przezroczyste, absorbuje ten rodzaj promieniowania i dlatego panie, które sądzą iż mogą uzyskać ciemną karnację skóry opalając się w domu przy zamkniętym oknie ,trwają w złudzeniu.

Właśnie dlatego lampy emitujące promieniowanie ultrafioletowe są wykonane z kwarcu (“kwarcówka “), a nie ze zwykłego szkła, bo kwarc ma przerwę energetyczną dużo większą od energii kwantu ultrafioletu i jest dla tego promieniowania przezroczysty.

Zrobię podsumowanie :

 

Elektrony absorbują światło tylko wówczas gdy mogą przejść do wyższego poziomu pustego ,czyli gdy różnica energii ich stanu końcowego i początkowego jest równa energii padającego fotonu. Jeśli takie stany końcowe są niedostępne to fotony przelatują przez materiał i taki materiał jest przezroczysty.

 

Pozostaje pytanie : dlaczego światło nie przechodzi przez płytkę metalu?

Tutaj sytuacja jest bardziej złożona, gdyż w metalach występują swobodne elektrony (gaz elektronowy Fermii-Diraca),nie związane z jonami tworzącymi siatkę krystaliczną. Są to elektrony z pasma przewodnictwa, w którym są trzy rodzaje poziomów: całkowicie zajęte, częściowo zajęte i puste.

Swobodne elektrony pod wpływem padającego promieniowania podlegają zmiennej sile elektrycznej pola ExB i zaczynają drgać (rys.5.) z częstością taką samą jaką ma padające promieniowanie (rezonans !).

 

Rys.5.

 

Warstwa swobodnych elektronów na powierzchni metalu absorbuje energię fali ,która ulega osłabieniu. Głębiej położone elektrony drgają z mniejszą amplitudą ,bo fala przenikająca jest coraz słabsza.

Wobec tego promieniowanie dociera tylko na określoną głębokość ,niesłychanie małą, rzędu 10E(-10)m i tym samym nawet bardzo cienka folia metalowa jest dla światła nie przezroczysta.

Powstaje inne pytanie: a skąd biorą się barwy nie których metali?

Przecież metale częściowo “odbijają” światła i w świetle odbitym okazują barwy !

Wiązka odbita, jest po prostu falą rezonacyjną, emitowaną przez elektrony pobudzone do drgań przez falę padającą. Nie zapominajmy bowiem ,że oscylujący elektron swobodny emituje falę elektromagnetyczną, o czym już wiedział J.C.Maxwell.

Barwy metali w świetle odbitym (np. czerwona miedź, żółte złoto) są wywołane szczególną strukturą pasm energii metali. Teoria tych zjawisk wymaga wprowadzenia pojęcia poziomu energii Fermiego. Jest to ostatni poziom zapełniony w paśmie przewodnictwa (PF).

 

Rys.6.

Na rys.6 strzałka AB reprezentuje energię fotonu, który będzie całkowicie pochłonięty przez metal. Strzałka CD - energię fotonów, które nie mogą być pochłonięte przez elektron, a jedynie wprawiają go w drgania. Tym samym ,są to fotony wiązki odbitej.

Model pasmowy fazy skondensowanej(ciał stałych) otrzymany w ramach QM, zastąpił klasyczną teorię ciał stałych Drudego-Lorentza stając się fundamentem współczesnej technologii elektronicznej.

Bez przesady można napisać,że kształt dzisiejszej cywilizacji ustalany jest przez mikroskopowe badania rozkładów pasm oraz przez techniczne sposoby wprowadzania zmian do tych rozkładów.Technologia materiałów półprzewodnikowych nie zaistniałaby bez teorii pasmowej budowy ciał stałych.

 

Teorię kwantową fazy skondensowanej zapoczątkował Felix Bloch (1905-1983)[noblista (1952),doktorat pod kierunkiem W.Heisenberga, członek zespołu ds. projektu Manhattan] wprowadzając pojęcie pasm energetycznych w ciele stałym.