ОПТИЧНИ СВОЙСТВА
Повечето стъкла пропускат светлина и други видове лъчиста енергия. Прозрачността на стъклото определя най-важните области на неговото приложение в националната икономика, технологиите и бита.
Прозрачността на стъклото се свързва с неговите оптични свойства - отражение, пречупване, разсейване, разлагане на светлината (дисперсия), избирателно поглъщане и двойно пречупване.
Пречупване и дисперсия на светлината. Светлинен лъч, който преминава от среда A с една плътност към среда B с друга плътност, променя посоката си на границата между тях (фиг. 3.2), тъй като скоростите на разпространение на светлината в среди A и B (va и Vb) са обратно пропорционални на тяхната плътност pA и p:
Където a е ъгълът на падане на лъчите; (3 е ъгълът на пречупване на лъчите.
Ако a е празен, тогава (sin a/sin p) = n, където n е индексът на пречупване на средата B. Тъй като ъгълът a е по-голям от ъгъла p, индексът на пречупване на всички прозрачни тела е по-голям от единица.
Ориз. 3.3. Схема на разлагане (дисперсия) на светлината чрез призма
Ориз. 3.2. Пречупване на светлината на границата на две среди с различна плътност
Стойността на n е право пропорционална на плътността на прозрачната среда. Тъй като плътността на стъклата е толкова по-висока, колкото по-голямо е молекулното тегло на оксидите, влизащи в състава им, най-високият индекс на пречупване ще бъде за стъкла, съдържащи тежки елементи, а най-нисък за стъкла, направени от леки оксиди. Индексите на пречупване на някои стъкла вижте таблицата. 3.2.
Индексът на пречупване на стъклото, както и плътността, зависи от скоростта на охлаждането му. Коефициентът на пречупване на бързо охлажданите стъкла, както и плътността, е по-нисък от този на бавно охлажданите стъкла със същия химичен състав, като разликата може да бъде до 0,004-0,005.
Коефициентът на пречупване на дадена прозрачна среда е толкова по-малък, колкото по-голяма е дължината на вълната на падащата светлина.Обикновено за характеризиране на среда се взема нейният индекс на пречупване на лъчи с определена дължина на вълната; това най-често е nD жълти лъчи с A, \u003d 589-10-9 m (линия D на спектъра на натриевите пари). Тъй като лъчите с различна дължина на вълната се пречупват по различен начин, лъч бяла светлина, преминавайки през стъклена призма, се разлага на съставните си цветни лъчи с различна дължина на вълната (фиг. 3.3). Това разлагане се нарича дисперсия.
Дисперсията се измерва с разликата между показателите на пречупване на дадена среда ЗА ДЪЛГИ И КЪСИ ВЪЛНИ, например (nF-/2c), където R е индексът на пречупване на лъчи с Xf = 486,1 x 10-9 m (синя линия на водородния спектър), а pc е индексът на пречупване на лъчи с Xc = 656,3-10-9 m (оранжева линия на това спектър). Разликата (nP-pc) се нарича средна дисперсия.
Дисперсията зависи от състава на стъклото; увеличава се с увеличаване на съдържанието на тежки оксиди (PbO) и антимонов триоксид. CaO и BaO увеличават nD много повече от дисперсията, докато P2O5 увеличава nD, но значително намалява (nF-ps).
Коефициентите на пречупване на стъклото най-често се измерват с помощта на рефрактометри с точност ± 0,00001, при условие че образците от стъкло са достатъчно еднородни и добре полирани. По-прост и по-бърз, но по-малко точен (±0,001) е методът на потапяне, при който стъклена проба се потапя последователно в смеси от течности с различни, известни индекси на пречупване. Проба, гледана през микроскоп, става невидима, когато нейният индекс на пречупване е равен на този на сместа.
Коефициентите на пречупване и средната дисперсия на стъклото се изчисляват по адитивния метод с точност до 0,01. По-точен (с точност до третия знак след десетичната запетая) е методът на изчисление J1. И. Демкина:
M _ - Jj____________ £2____________________
Таблица 3.8. Коефициенти заизчисляване на показателите на пречупване и дисперсията на стъклата (според JI. I. Demkina)
Si, S2. Sn са частични коефициенти в зависимост от основния състав на стъклото (Таблица 3.8).
Повишената дисперсия причинява цветен ореол и размити ръбове в получените изображения. Тя може да бъде намалена чрез избор на такива оптични системи от лещи или призми (наречени ахроматични), при които дисперсията, създадена от някои лещи, се унищожава от други.
Коефициентите на пречупване и дисперсия са характерни за стъкло от един или друг състав и следователно позволяват да се прецени неговата хомогенност, да се контролира постоянството на неговия състав, както и да се идентифицират и отстранят някои нарушения на технологията на стъклото.
Двойно пречупване на лъчите. Стъклото без механични напрежения е изотропно. Но ако в стъклото се създадат напрежения от силно механично въздействие или рязък температурен удар, тогава то става двойно пречупващо като прозрачни кристали - кварц, гипс, слюда и др. Когато напрежението изчезне, изчезва и двойното пречупване.
По този начин лъч светлина, който навлиза в плоча с напрежение, се разделя на два лъча с различни скорости: обикновен и извънреден. Това явление се нарича поляризация на светлината.
Преминавайки път с дължина /, m в стъклото, лъчите придобиват пътна разлика А, пропорционална на разстоянието I и разликата в скоростите vy - vx. Разликата при пътуване е:
A \u003d kyl (vy - vx), където ky е коефициентът на пропорционалност.
Ако приблизително приемем, че разликата в скоростта е пропорционална на разликата в напрежението:
СVy - Vx) = k2 (Ру - Рх), TO А = kihl (іVy - Рх) = kl (Ру - Рх),
Където k—kkt е константата на оптичното напрежение, осреднена (2,4—2,8) • 10
От последното уравнение получавамеpy - px = A/kl, т.е. напреженията могат да се изчислят от разликата в пътя на лъчите в двойнопречупващите стъкла.
Отражение на светлината. Съотношението на количеството светлина /0> отразена от стъклената повърхност до количеството светлина I, падаща върху нейната повърхност, се нарича коефициент на отражение. Коефициентът на отражение R е право пропорционален на ъгъла на падане на светлината върху стъклото. За лъч, падащ перпендикулярно на стъклената повърхност, R може да се изрази чрез индекса на пречупване на стъклото n:
Коефициентът на отражение R нараства с увеличаване на индекса на пречупване Pw, така че за стъкло с rtD = 1,53 е 0,043, а за стъкло с nD = 1,65 (оловен кристал) е 0,061. Следователно продуктите, които трябва да имат красива игра на светлина в краищата, са направени от стъкло с висок коефициент на пречупване.
Ако светлинният поток преминава последователно през m стъклени повърхности, тогава се получава отражение върху всяка повърхност и в крайна сметка известно количество светлина ще премине през стъклото
Където 1 е общото количество светлина, падаща върху стъклото, а Ru R-g, R3, -, Rm са коефициентите на отражение от съответните повърхности.
За светлинен лъч, перпендикулярен на повърхността на стъкло с прост състав (например прозоречно стъкло), коефициентът на отражение от една повърхност е 0,04 (4%). Тогава количеството светлина, преминаващо през стъклена плоча, ограничена от две повърхности, ще бъде: x2 = (1-0,04) (1-0,04) = 0,92, откъдето 1-x2 = = 0,08 (8%).
В сложни оптични системи (например микроскопи, телескопи), състоящи се от множество лещи и призми, загубата на отражение може да бъде до 75-80% от падащата светлина; в този случай изображението ще бъде тъмно. За увеличаване на осветеността акад. И. В. Гребенщиков и неговите сътрудници разработиха метод, наречен оптично просветление. С този метод на повърхносттаСтъклото е покрито с най-тънък слой от флуориди или силициева киселина, чийто индекс на пречупване n е равен на n на стъклото. Дебелината на филма трябва да бъде 0,25 дължина на вълната на падащото лъчение. Такъв филм намалява коефициента на отражение с коефициент 7-10 и увеличава количеството светлина, предавано от стъклото. Ако, напротив, трябва да се увеличи коефициентът на отражение, върху стъклото се нанася филм с по-висок коефициент на пречупване, който се използва при производството на полупрозрачни огледала, оптични системи и за декоративни цели.
Разсейване на светлината. Ако светлината падне върху стъкло, което има грапава повърхност или съдържа много малки чужди включвания в масата, тя се отразява многократно в различни посоки и напуска стъклото под формата на разпръснат лъч. Стъклото ще изглежда като матирано, полупрозрачно, то е по-меко и по-равномерно разпределя пропусканата светлина от прозрачното стъкло. От такова светлоразсейващо стъкло се изработват продукти за осветление (абажури, шапки, абажури и др.). Светлината, която пропускат, не е ослепителна, тъй като нейният източник (нишката на електрическите лампи) не се вижда през дифузното стъкло.
Поглъщане на светлина. Вместо изчислените 92% от падащата светлина, стъклените плочи, според измерванията, всъщност пропускат много по-малко. Най-прозрачните оптични стъкла пропускат малко повече от 91% на 1 см от дебелината си, а обикновените индустриални стъкла - 85-90,8%. От това следва, че част от падащия светлинен поток се абсорбира от стъклото. Съотношението на количеството светлина, пропуснато от стъклото, / pr към падащия светлинен поток / се нарича коефициент на светлинна пропускливост на стъкло Т.
Светлопропускливостта на стъклото се измерва с фотометър или спектрофотометър. За изчисления, вместо стойността T, често се използва стойността на така наречената оптична плътностстъкло D:
Намалената пропускливост на светлина от стъклото се дължи на наличието на багрила в състава му, които предизвикват селективна абсорбция - поглъщане на лъчи с определена дължина на вълната. Оптичната плътност на стъклото просто характеризира интензивността на неговата селективна абсорбция; то е пропорционално на специфичното поглъщане на светлина, характерно за дадено багрило, концентрацията на багрилото в стъкло c и дебелината на стъклото d. Оптичната плътност на стъкло D е acd, а коефициентът на пропускливост на светлина е T=eracd (e е основата на естествените логаритми).
Благодарение на селективното поглъщане на светлина от очилата, те пропускат лъчи с определени дължини на вълната и следователно имат един или друг цветен нюанс или цвят. Поглъщането на светлината в така нареченото безцветно, но всъщност леко оцветено стъкло се дължи на наличието в него на железни съединения, внесени от суровините. Стъклото може да съдържа съединения на двувалентно (желязо) Fe2+ и тривалентно (оксидно) желязо Fe3+. Интензитетът на поглъщане на светлината в различните области на спектъра зависи от валентността на железните съединения и от тяхното съдържание в стъклото. Специфичното светлинно поглъщане на двувалентното желязо Fe2+ в областта на видимите лъчи на спектъра е 10 пъти по-голямо от това на тривалентния Fe3+. Fe2+ поглъща главно лъчи с дължина на вълната около 600-10-9 m (жълто и червено) и оцветява стъклото в синкав цвят. Тривалентното желязо поглъща в най-голяма степен лъчи с дължина на вълната 500-10-9 m (синьо и виолетово), пропуска жълти и червени лъчи, оцветявайки стъклото в жълтеникаво. Стъклото винаги съдържа дву- и тривалентно желязо едновременно: заедно те придават на стъклото зеленикав цвят, чийто интензитет зависи от общото съдържание на железни оксиди в него.
За редица продукти (осветление,художествено стъкло и др.) зеленикавият цвят, дори слаб, е нежелателен. За такива продукти стъклото се обезцветява. Има химическо и физическо избелване. Съдържанието на двувалентно и оксидно желязо в стъкло (по отношение на FeO+PerO3) не трябва да надвишава 0,06% за химическо обезцветяване и 0,08% за физическо обезцветяване.
Химическото избелване се свежда до превръщане, ако е възможно, на цялото желязо в стъклото в тривалентна форма. Химически избеленото стъкло е леко жълтеникаво-зеленикаво на цвят, но има висока пропускливост на светлина.
Физическото обезцветяване се състои в това, че в състава на стъклото се въвеждат багрила, които го оцветяват в цвят, допълващ цвета на железните съединения. В резултат на такова оцветяване (т.е. двойно поглъщане на светлина) стъклото придобива неутрален, сив оттенък, но неговата пропускливост на светлина намалява. От това следва, че трябва да се разграничават понятията "полупрозрачно" и "обезцветено" стъкло.
В допълнение към лъчите от видимата област на спектъра, стъклото е способно да предава или абсорбира невидими лъчи (инфрачервени, ултравиолетови, рентгенови лъчи, y-лъчи и др.). С развитието на науката и технологиите производството на стъкло, което пропуска или абсорбира определени лъчи, става все по-важно. Пропускането на инфрачервени лъчи от стъкло влияе значително върху дълбочината на неговото нагряване при високи температури. Колкото по-малко се пропускат, толкова по-малко топлина прониква в стъклената маса и толкова по-ниска е температурата на нейните дълбоки слоеве.
Цветът на стъклото може да се промени, когато е изложено на радиация, като например слънчева светлина. Синкавото стъкло, съдържащо двувалентно желязо, пожълтява на слънце; безцветното стъкло, съдържащо манганови съединения, придобива лилав цвят. Това явление се наричасоларизацията се състои в това, че под въздействието на енергията на ултравиолетовото лъчение в стъкла, съдържащи оксиди на манган и желязо, манганът се окислява поради железен оксид.
Mn2+ + енергиен квант = Mn3+ + e
Подобен ефект се използва за получаване на така наречените фотохромни стъкла; в тях цветът се появява само по време на действието на радиацията и след това изчезва. Такива стъкла се използват за защита на сгради и превозни средства от слънцето, за поддържане на постоянна осветеност на помещенията и др.
Действието на проникваща радиация (y-лъчи, неутрони и в по-малка степен a- и p-частици) върху стъклото води до оцветяването му в насипно състояние, тъй като в този случай структурата на стъклото се променя и се образуват групи от йони - "цветни центрове", които определят селективното поглъщане на лъчиста енергия. Стъклото се оцветява толкова по-силно, колкото по-интензивно и по-дълго е било облъчено. Оцветяването на стъклото под действието на соларизация и проникваща радиация може да бъде унищожено чрез нагряване до температури, близки до температурата на омекване.
Много очила под действието на късовълнова радиация, като ултравиолетови и рентгенови лъчи, могат да светят - луминират - есце: получената от тях енергия се преработва в светлинна енергия. За да направите това, очилата трябва да съдържат в състава си така наречените "активатори" на луминесценцията. Това са някои елементи с променлива валентност: Mn (дава зелено или червено сияние),
Ce (синьо сияние), U (интензивно жълто-зелено сияние) и др. Луминесценцията се използва за разпознаване на различни видове стъкла, както и за технологични и структурни изследвания.