هل تعلم لماذا الزجاج شفاف؟

لماذا الزجاج شفاف بالمقارنة مع الرمل مع أن الإثنين يتكونان من نفس العناصر الطبيعية؟

للإجابة على هذا السؤال يتوجب فهم بعض الخصائص الفيزيائية وثم مقارنتها في حالة الزجاج.

لنبدأ أولاً بماهية الذرة؟

الذرة بأبسط أشكالها (الهيدروجين) تتألف من نواة ومن الالكترون. النواة تقع في المركز بينما يتواجد الالكترون ضمن مدار حول النواة. لن أدخل في التفاصيل كثيراً إلا أنه يتوجب فهم نقطة هامة وهي أن وجود الالكترون ضمن المدار حول النواة محكوم بكمية محددة من الطاقة. هذه الكمية المحددة هي ما يؤسس لميكانيكية الكم أو الفيزياء الكمية التي يتحدث عنها الجميع.

لكي يستطيع الالكترون الانتقال من مدار إلى مدار أعلى (أبعد من النواة) يتوجب على الالكترون اكتساب طاقة ولكي يقترب من النواة عليه أن يفقد طاقة. طبعاً عملية الكسب أو الخسارة للطاقة منظومة بكميات محددة وليست عشوائية نسميها Quanta.

الأن لنتخيل أن نواة الذرة هي عبارة عن نقطة صغيرة جداً بحجم الذبابة مثلاً متواجدة في منتصف ملعب كرة قدم فبهذا القياس سنجد أن الالكترون متواجد في مكان ما على المدرجات. كما ذكرت سابقاً الانتقال بين المدرجات يكلف الالكترون كمية محددة من الطاقة ولهذا فإن على الالكترون الدفع قبل الانتقال.

العملة المتداولة للانتقال بين المدرجات (المدارات) هي الفوتونات. عندما يتجه الفوتون باتجاه مادة معينة يحدث واحد من ثلاث أشياء. (الفوتون = ضوء)

١- الفوتون يصطدم بالالكترون وتعتبر كمية الفوتون كافية لانتقال الالكترون من مدار إلى آخر فيمتصه الالكترون وينتقل من مدرج إلى أخر… (ارتفاع في درجة الطاقة وامتصاص للضوء). طبعاً هذا يعتمد على نوع الذرة التي تتفاعل مع الفوتون. هذا ما يحدث في حالة أغلب المواد التي نراها من حولنا (تسخن قليلاً)

٢- الفوتون يصطدم بالإلكترون لكن كميته ليست كافية لانتقال الالكترون بين المدارات فيمتصه الالكترون لكنه يصدر فوتون آخر بنفس الكمية التي امتصها فيبدو لنا وكأن الضوء انعكس عن المادة.

٣- الفوتون لا يتفاعل مع الالكترونات المادة لأن الكتروناتها محفزة لدرجة عالية لا تكفي الفوتون أن يتفاعل معها. الإلكترونات موجودة على مدرجات ال VIP وكمية الطاقة القادمة من الفوتونات ليست كافية لكي تتفاعل معها الالكترونات. في هذه الحالة يبدو لنا أن الضوء عبر من خلال المادة وتبدو لنا المادة أنها شفافة. في الواقع هي شفافة لنوع محدد من الطيف الضوئي (٤٠٠ – ٧٠٠ نانو ميتر) وليس لكل أطياف الضوء. مثلاً الزجاج يعكس الأشعة الفوق البنفسجية لأن فوتونات الفوق بنفسجية لديها كمية كبيرة من الطاقة قادرة على نقل الإلكترونات من مدار إلى مدار أعلى. لهذا السبب نجد أن بعض النظارات الشمسية قادرة على عكس الأشعة الفوق البنفسجية. UV protection

لنعود للسؤال الأصلي وهو لماذا الزجاج شفاف والرمل ليس شفاف مع أن الإثنين يتكونان من نفس العناصر؟

هذا يعود لتعرض ذرات الزجاج لدرجات حرارة عالية جعلت الكتروناته في مكان عالي ضمن المدرجات لا يستطيع طيف الضوء المرئي التفاعل معها فيمر بسلام من خلاله.