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

В Западной Европе, напротив, мода на стеклянные бокалы заставляла ценить и почитать стекло, что в конце концов оказало глубокое влияние на культуру. В Европе, особенно в Северной, оконные стекла, пропускавшие свет, но не впускавшие внутрь дождь, ветер и холод, были слишком желанным предметом, чтобы не задуматься о технологии их производства. Однако поначалу умели делать лишь маленькие, довольно чистые и прочные, стеклышки – несколько таких стекол скрепляли свинцом, чтобы закрыть оконный проем целиком. Иногда их окрашивали цветной глазурью. Цветные витражи – признак богатства и утонченного вкуса – совершенно изменили архитектуру европейского собора. Со временем ремесленники – мастера по цветному стеклу – достигли такого же высокого положения в обществе, как и каменотесы. В Европе расцвело новое искусство остекления окон.

На Востоке пренебрежительное отношение к стеклу не менялось вплоть до XIX века. Все это время китайцы и японцы закрывали окна бумагой, которая исправно служила, но развитие архитектуры на Востоке пошло совсем иным путем, чем на Западе. Отсутствие стеклодувной технологии у этих народов означало, что, несмотря на всю их техническую грамотность, они не могли изобрести ни телескоп, ни микроскоп – два главных оптических инструмента, с которыми их познакомили западные миссионеры. Помешало ли это китайцам извлечь максимум пользы из своего технического превосходства и стать во главе научно-технической революции, как это произошло с европейскими странами в XVII веке, сказать невозможно. Но без телескопа точно не увидеть спутников Юпитера, не разглядеть планетоид Плутон, не сделать астрономических вычислений, которые лежат в основе современного понимания Вселенной. Без микроскопа глаз не различит бактерий; невозможно систематически изучать микромир, что крайне важно для развития медицины и инженерного дела.

Так откуда же у стекла это чудесное свойство – прозрачность? Каким образом свет проходит сквозь плотное, без внутренних разрывов, вещество, в то время как большинство других материалов его не пропускает? В конце концов, стекло состоит из тех же атомов, что и песок. Так почему же в песке они непрозрачны, а в стекле идеально прозрачны и способны преломлять свет?

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.