Sự trong suốt của thuỷ tinh

Đã bao giờ bạn tự hỏi rằng tại sao chúng ta có thể nhìn xuyên qua một tấm kính (thủy tinh) không? Nhờ vào tính chất trong suốt mà thủy tinh được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực trong cuộc sống hằng ngày. Thủy tinh được sử dụng làm cửa sổ, các vách ngăn, giúp ánh sáng đi vào không gian bên trong hay các loại bình, chậu và vật dụng nhà bếp mang tính thẫm mỹ cao. Các loại thủy tinh cao cấp hơn được sử dụng làm dụng cụ thí nghiệm và thấu kính cho các máy ảnh, kính hiển vi,…

Từ trước đến nay ta vẫn xem thủy tinh là một loại vật liệu rắn vì nó có hình dạng xác định. Tuy nhiên nếu nói chính xác hơn thì kính hay thủy tinh là chất rắn vô định hình. Thủy tinh được tạo ra nhờ quá trình nấu chảy cát (SiO2) và một số nguyên liệu cần thiết khác thành dạng lỏng và tạo hình khi đạt độ nhớt rồi được làm lạnh nhanh tới nhiệt độ môi trường. Khi làm lạnh nhanh, các phân tử SiO2 mất đi sự linh động và đóng rắn nhưng không có đủ thời gian cần thiết để sắp xếp thành cấu trúc tinh thể. Vì thế mà thủy tinh chỉ có cấu trúc trật tự gần do các tứ diện SiO2 liên kết ngẫu nhiên với nhau, không có cấu trúc xác định lập lại tuần hoàn. Do đó, thủy tinh có tính đẳng hướng, ánh sáng chiếu tới dễ dàng đi xuyên qua nó mà không bị tán xạ. Nhưng điều này vẫn không đủ giải thích tại sao ánh sáng lại truyền qua thủy tinh mà không bị hấp thu như các chất rắn khác.

Để trả lời cho câu hỏi trên, ta phải xem xét đến đơn vị cơ bản cấu thành vật liệu là các nguyên tử. Một nguyên tử bao gồm hạt nhân ở trung tâm và các electron xoay quanh nó theo các quỹ đạo riêng. Thực chất, một nguyên tử bao gồm các hạt vật chất trên và một không gian rỗng rất lớn. Để dễ hình dung, nếu ta xem một nguyên tử có kích thước bằng một sân vận động thì hạt nhân sẽ có kích thước một hạt đậu nằm ở trung tâm và các electron sẽ bằng các hạt cát rải rác theo từng hàng ghế ở khu vực khán đài.

Với khoảng không lớn như vậy, khi ánh sáng chiếu tới một nguyên tử sẽ khó mà va chạm với hạt nhân hay các electron. Điều này có thể giải thích cho câu hỏi tại sao thủy tinh trong suốt nhưng tại sao tất cả các loại vật liệu khác cũng cấu tạo từ các nguyên tử lại không trong suốt. Nguyên nhân chính của sự khác biệt này là do sự khác nhau của bản chất các loại vật liệu. Mỗi loại nguyên tố hay vật liệu khác nhau có các mức năng lượng của electron trong nguyên tử khác nhau. Trong một nguyên tử, các electron chuyển động theo các mức năng lượng riêng. Nhưng chúng có thể chuyển lên mức cao hơn nếu nhận được lượng năng lượng cần thiết, ngược lại để chuyển xuống mức thấp hơn các electron phải cho đi đúng lượng năng lượng ấy. Năng lượng cần thiết này chính là độ chênh lệch năng lượng giữa mức hiện tại và lớp phía trên hoặc phía dưới liền kề của electron đang xét đến.

Photon ánh sáng sẽ bị các electron hấp thụ chỉ khi chúng va chạm nhau và photon cung cấp lượng năng lượng cần thiết để kích thích electron chuyển lên mức trạng thái năng lượng cao hơn. Nhưng đối với thủy tinh, các mức năng lượng của electron trong một nguyên tử Silic (Si) rất xa nhau. Năng lượng của photon ánh sáng nhìn thấy cung cấp sẽ không đủ cho electron của Si chuyển lên mức năng lượng cao hơn. Vì thế, ánh sáng nhìn thấy dễ dàng đi xuyên qua chúng mà không bị hấp thụ hay nói cách khác thủy tinh trong suốt với ánh sáng nhìn thấy.

Bạn có bao giờ để ý rằng mình sẽ ít bị cháy nắng khi đứng sau một tấm kính dù tiếp xúc với ánh nắng trong một thời gian dài không? Đó là vì photon của ánh sáng cực tím UV, tác nhân gây ra cháy nắng lại cung cấp vừa đủ lượng năng lượng mà các electron của Si có mặt trong thủy tinh cần nên chúng sẽ bị thủy tinh hấp thụ.

Như Quỳnh

Call Now Button DMCA.com Protection Status