Đây là lý do khiến kính trong suốt, chất rắn khác thì không

December 28, 2020

Kính là một vật liệu được ưa chuộng trong kiến trúc hiện đại, khi nó vừa có thể che chắn cho ngôi nhà trước những khắc nghiệt của thời tiết, vừa cho phép ánh sáng đi xuyên qua để giúp không gian trở nên sáng sủa hơn.

Hầu hết mọi ngôi nhà đều có ít nhất một khung cửa sổ, với một tấm kính đặt trong một khung viền bao quanh. Cửa sổ kính khiến ngôi nhà sáng sủa, ấm cúng, và thoáng đãng bởi chúng cho phép ánh sáng đi qua. Nhưng tại sao cửa sổ kính lại trong suốt còn tường gạch quanh nó thì không? Cả hai loại vật liệu đều là chất rắn, đều giúp che chắn nắng, mưa, gió, tuyết. Ấy thế nhưng gạch lại không trong suốt và chắn sáng hoàn toàn, trong khi kính thì trong suốt và cho ánh sáng xuyên qua như chẳng có gì.

Cửa sổ kính khiến ngôi nhà sáng sủa, ấm cúng, và thoáng đãng.

Bạn có lẽ từng nghe một số người – thậm chí là một số sách khoa học nữa – đưa ra lời giải thích bằng cách nói rằng gỗ là chất rắn thực thụ, còn kính là một chất lỏng có độ quánh (nhớt) cao. Tiếp đó họ nói rằng các nguyên tử trong kính nằm cách xa nhau hơn, và khoảng cách giữa chúng cho phép ánh sáng lọt qua. Họ thậm chí sẽ lấy cửa sổ kính của những ngôi nhà tuổi đời hàng thế kỷ – vốn thường trông không phẳng lỳ mà có gợn sóng, và thậm chí là dày không đều nữa – làm bằng chứng cho thấy cửa sổ kính đã bị “chảy” qua nhiều năm giống như mật đường rỉ từng chút một trong một ngày giá lạnh.

Trên thực tế, kính chắc chắn không phải là chất lỏng. Nó là một dạng chất rắn gọi là “chất rắn vô định hình“. Đây là trạng thái vật chất mà các nguyên tử và phân tử bị “khoá” cứng tại chỗ, nhưng thay vì hình thành nên những tinh thể với cấu trúc gọn gàng, trật tự, chúng lại sắp xếp một cách ngẫu nhiên. Kết quả là, kính có độ cứng như các chất rắn, nhưng lại có cách bố trí các phân tử hỗn loạn như chất lỏng. Chất rắn vô định hình hình thành khi một vật chất rắn được nung chảy ở nhiệt độ cao và sau đó làm nguội nhanh chóng – một quy trình gọi là “tôi”.

Trên nhiều khía cạnh, kính giống như gốm và có mọi đặc tính của gốm: độ bền, độ cứng, độ giòn, cùng khả năng kháng điện/nhiệt cao và không tham gia vào các phản ứng hoá học. Kính oxide, giống như loại kính thương mại bạn thấy trên các sản phẩm bán ngoài thị trường, các loại chai lọ và bóng đèn, có một đặc tính quan trọng khác: trong suốt trước một dải bước sóng mà chúng ta hay gọi là ánh sáng thấy được. Để hiểu tại sao, chúng ta phải tìm hiểu kỹ hơn về cấu trúc nguyên tử của kính và hiểu điều gì xảy ra khi photon – những hạt nhỏ nhất của ánh sáng – tương tác với cấu trúc đó.

Từ electron đến photon

Đầu tiên, hãy nhớ rằng các electron bao quanh hạt nhân của một nguyên tử, chiếm những mức năng lượng khác nhau. Để di chuyển từ một mức năng lượng thấp lên cao hơn, một electron phải thu năng lượng vào. Ngược lại, để di chuyển từ một mức năng lượng cao xuống thấp hơn, một electron phải thải năng lượng ra. Trong cả hai trường hợp, electron chỉ có thể thu hoặc thải năng lượng chứ không thể làm cả hai cùng lúc.

Bây giờ hãy nói về việc một photon tiến đến và tương tác với một vật chất rắn. Một trong ba điều sau có thể xảy ra:

• 1. Vật chất hấp thụ photon: Điều này xảy ra khi photon truyền năng lượng của nó cho một electron bên trong vật chất. Với năng lượng bổ sung này electron có thể di chuyển lên một mức năng lượng cao hơn, trong khi photon kia biến mất.
• 2. Vật chất phản xạ photon: Để làm được điều này, photon truyền năng lượng của nó cho vật chất, nhưng vật chất sẽ phát ra một photon với năng lượng tương đương.
• 3. Vật chất cho phép photon đi xuyên qua hoàn toàn: Gọi là quá trình truyền, điều này xảy ra bởi photon không tương tác với bất kỳ electron nào và tiếp tục cuộc hành trình của nó cho đến khi nó tương tác với vật thể khác.

Hiển nhiên, kính rơi vào trường hợp thứ ba. Photon đi xuyên qua vật liệu này bởi chúng không có đủ năng lượng để kích thích một electron của kính lên mức năng lượng cao hơn. Các nhà vật lý học đôi lúc gọi đó là “Lý thuyết vùng năng lượng”, trong đó các mức năng lượng tồn tại cùng nhau trong những vùng gọi là “vùng năng lượng”. Ở giữa những vùng đó là “khe hở vùng”, nơi các mức năng lượng dành cho electron không hề tồn tại. Một số vật liệu có khe hở vùng lớn hơn các vật liệu khác. Kính là một trong những vật liệu đó, có nghĩa các electron của nó đòi hỏi rất nhiều năng lượng để có thể nhảy từ vùng năng lượng này sang vùng năng lượng khác và ngược lại. Photon là ánh sáng thấy được – ánh sáng với bước sóng từ 400 – 700 nm, tương ứng với các màu tím, chàm, lục, lam, vàng, cam, và đỏ – và chúng đơn giản là không có đủ năng lượng để gây ra bước nhảy. Kết quả là photon của ánh sáng thấy được đi xuyên qua kính thay vì được hấp thụ hoặc phản xạ, khiến kính trở nên trong suốt.

Ở những bước sóng nhỏ hơn ánh sáng thấy được, các photon bắt đầu có đủ năng lượng để đưa các electron của kính từ một vùng năng lượng sang một vùng năng lượng khác. Ví dụ, ánh sáng cực tím, vốn có bước sóng từ 10 – 400 nm, không thể đi xuyên qua hầu hết các loại kính oxide, như kính trong khung cửa sổ. Điều đó khiến cửa sổ, bao gồm kính trong ngôi nhà bạn đang xây chẳng hạn, không trong suốt trước ánh sáng cực tím, giống như gỗ không trong suốt trước ánh sáng thấy được vậy.

Theo Khoa học