چرا نور از شیشه عبور میکند و ما میتوانیم پشت شیشه را ببینیم؟

احتمالاً این استدلال را از اطرافیانتان – و حتی در برخی از کتاب‌های علمی‌– شنیده اید که چوب یک جامد واقعی است اما شیشه یک مایع بسیار چسبناک است. این استدلال می‌گوید اتم‌های شیشه با هم فاصله دارند و همین شکاف بین اتم‌ها اجازه عبور نور از میان شیشه را می‌دهد. طرفداران این استدلال شیشه پنجره‌های خانه‌های قدیمی‌چند صد ساله را مثال می‌زنند که یک حالت موجی و نامنظم دارد.

اما اگر بخواهیم علمی‌به این قضیه نگاه کنیم، متوجه می‌شویم که شیشه به هیچ وجه مایع نیست. شیشه نوع خاصی از جامد به نام جامد آمورف است. جامد آورف حالتی از ماده است که در آن اتم‌ها و مولکول‌ها سرجایشان ثابت هستند اما بجای شکل دادن بلورهای منظم، بلورها را بصورت تصادفی مرتب می‌کنند. در نتیجه این نحوه چینش بلورها، شیشه‌ها مثل جامدات سفت و سخت هستند اما آرایش مولکول‌های آنها مثل مایعات نامنظم است. جامدات آمورف وقتی شکل می‌گیرند که یک ماده جامد در دمای بسیار بالا ذوب شود و سپس سریعاً سرد شود؛ فرایندی که به آن فرونشانی یا کوئنچ می‌گویند.

شیشه از بسیاری از جهات شبیه سرامیک است و تقریباً تمام خواص آن را هم دارد: دوام، شکنندگی، مقاومت الکتریکی و حرارتی بالانداشتن واکنش پذیری شیمیایی. شیشه اکسیدی مثل همان شیشه‌هایی که در محصولات خانگی کاربرد دارند، یک ویژگی هم دیگر هم دارند: این شیشه‌ها در برابر طیفی از نور که با نام نور مرئی شناخته می‌شود، شفاف هستند. برای اینکه درک بهتری از دلیل شفافیت شیشه در برابر نور مرئی داشته باشیم، باید ساختار اتمی‌شیشه را بررسی کنیم و نحوه تعامل فوتون‌ها – کوچکترین ذرات نور با این ساختار را درک کنیم.

الکترون‌هایی که اطراف هسته اتم قرار دارند، سطوح انرژی مختلفی دارند. یک الکترون برای حرکت از سطح انرژی پایین به سطح انرژی بالاتر باید انرژی بدست بیاورد. در مقابل، برای حرکت از سطح انرژی بالا به سطح انرژی پایین تر هم باید انرژی از دست بدهد. در هر دو حالت، الکترون‌ها فقط می‌توانند انرژی را در دسته‌های مجزا آزاد یا کسب کنند.

بیایید حرکت یک فوتون به سمت یک ماده جامد را دقیق تر بررسی کنیم. در این وضعیت، ممکن سه اتفاق بیفتد:

۱- ماده فوتون را جذب کند: این اتفاق زمانی می‌افتد که فوتون انرژی خودش را به یکی از الکترون‌های ماده بدهد. الکترونی که این انرژی جدید را دریافت کرده است، میتواند به یک سطح انرژی بالاتر برسد؛ این در حالی است که فوتون از بین رفته است.

۲- ماده فوتون را منعکس می‌کند: در چنین شرایطی فوتون انرژی خودش را به ماده می‌دهد اما یک فوتون با انرژی کاملاً برابر از ماده ساطع می‌شود.

۳- ماده میگذارد فوتون بدون تغییر از آن عبور کند: این شرایط که همان شفافیت مورد نظر ماست به این خاطر اتفاق می‌افتد که فوتون با هیچ الکترونی تعامل نداشته و مسیرش را تا رسیدن به یک شی دیگر ادامه دهد.

واضح است که تعامل فوتون نور و شیشه در حالت سوم قرا می‌گیرد. فوتون‌های نور به این خاطر از شیشه عبور می‌کنند که انرژی کافی برای تحریک الکترون شیشه و رساندن آن به سطح انرژی بالاتر را ندارند. اگر با یک فیزیکدان درباره این تعامل صحبت کنید، بحث نظریه نوارها را پیش خواهد کشید. این نظریه می‌گوید سطوح انرژی در محدوده‌هایی به نام نوارهای انرژی یکدیگر را تحریک می‌کنند. بین این نوارها محدوده‌هایی قرار دارند که در آنها سطوح انرژی الکترون‌ها به هیچ وجه تحریک نمی‌شوند که به آنها شکاف نواری می‌گویند. برخی از مواد شکاف نواری بزرگتری نسبت به سایر مواد دارند. شیشه یکی از این مواد است و به همین خاطر الکترون‌های آن برای جهش از یک نوار انرژی به نوار دیگر و بازگشت مجدد به انرژی بسیار بیشتری نیاز دارند. فوتون‌های نور مرئی – نوری با طول موج ۴۰۰ تا ۷۰۰ نانومتر و مطابق رنگ‌های بنفش، نیلی، آبی، سبز، زرد، نارنجی و قرمز – انرژی کافی برای ایجاد این جهش را ندارند. در نتیجه فوتون‌های نور مرئی بجای جذب شدن یا منعکس شدن از شیشه عبور می‌کنند. در واقع شکاف نواری بالا در شیشه و فقدان انرژی کافی در فوتون‌های نور باعث شفافیت شیشه می‌شود.

فوتون‌های طول موج‌های کمتر از طول موج نور مرئی، انرژی کافی برای انتقال الکترون‌ها از یک نوار انرژی به نوار انرژی دیگر را دارند .برای مثال، نر ماوراء بنفش – که طول موج آن بین ۱۰ تا ۴۰۰ نانومتر است – نمی‌تواند از بیشتر شیشه‌های اکسیدی مثل شیشه پنجره عبور کند.