Proč je sklo průhledné

V následujících 10 minutách
bych chtěl mluvit o... - Nemáš na to deset minut.
- Aha, dobře. V následujích několika minutách... Začnu znovu.
V následujích několika minutách bych chtěl vysvětlit, proč jsou
některé materiály průhledné a jiné ne. Proč světlo projde
některými materiály a jinými ne. Konkrétně sklo.
Proč je sklo průhledné? Jaktože jím světlo projde?

Sixty Symbols: ZAKÁZANÉ PÁSMO Našel jsem množství zajímavých,
ale znepokujujích stránek... Když jsem se připravoval
na video o průhlednosti skla, vygooglil jsem si to,
abych věděl, co říkají ostatní. Zadáte-li do googlu
"proč je sklo průhledné?", naleznete množství stránek
jež vám dají naprosto nepravdivé odpovědi. Naprosto špatné odpovědi,
znepokojivě špatné. Vysvětlují to většinou tak, že sklo je podobné tekutině, pročež jsou jeho
molekuly dále od sebe, čímž mezi nimi vznikají mezery,
jimiž světlo projde.

Což je velice špatně
v tolika různých ohledech. V čem se tedy liší sklo
od ostatních materiálů? Zásadní je uspořádání
atomů v pevné látce, které pak určuje... A to je to důležité.


...uspořádání elektronů. A to, jak jsou elektrony poskládány
do pásů s různými hladinami energie, určuje, zda světlo projde. Takže teď budu předstírat,
že jsem foton. Budu procházet tímto pokojem,
jakožto určitou látkou, která se skládá z atomů,
všude jsou tedy elektrony. Já tudy procházím
nabitý určitou energií. Moje práce, jakožto fotonu,
je vzít některý elektron a z jeho základního stavu
s nejnižší hladinou energie ho excitovat do stavu
s vyšší hladinou energie.

A když tohle provedu,
jsem pohlcen. Neprojdu tedy látkou.
To nastane např. u cihel. Foton vstoupí do látky, excituje jeden elektron
na vyšší hladinu energie, načež je pohlcen
a látka se jeví neprůhledná. V případě skla a dalších
průhledných materiálů dochází k tomu, že rozdíl mezi základním stavem a vyššími hladinami energie,
jenž nazýváme zakázané pásmo, je příliš velký.

Abych mohl být pohlcen, musím jakožto procházející foton
excitovat nějaký elektron až na tuto hladinu energie. Já na to ale nemám
dost energie, pročež nejsem pohlcen
a projdu látkou...

až na druhou stranu, takže se látka jeví průhledná. Rozdíl mezi základním stavem
a touto hladinou energie se nazývá zakázané pásmo. A elektron může být pouze
tady, nebo tady, nemůže existovat mezitím. Foton předá elektronu
energii pro excitaci a pak v podstatě "umírá".

V případě skla, diamantu
a dalších průhledných látek je zakázané pásmo
mezi základním stavem a excitovaným tak velké,
že fotony viditelného světla, fotony viditelných vlnových délek, nemají dost energie,
aby se dostaly odsud až sem. Teď půjdeme do laboratoře
provést experiment, který obvykle
dělají druhé ročníky. Podíváme se,
jak materiály pohlcují světlo.

Máme zdroj světla
a máme přístroj zvaný monochromátor či monochromator, který z bílého světla vyčlení jen světlo určité vlnové délky, tedy určité barvy
a určité energie. Tady vidíme,
že vlnová délka je teď zhruba... Nezkalibroval jsem to,
ale doufám, že je to správně. ...zhruba 525 nanometrů.

Teď jdu od fotonů
s vysokou energií, které jsou modrozelené, až k fotonům s nízkou energií. Tady mám vzorek, který je zhruba v půli toho,
o čem jsme mluvili. Není zcela průhledný,
není zcela neprůhledný. Také vidíme, že je barevný. Je to příklad polovodiče.

Zajímavé je na něm to,
že jeho zakázané pásmo spadá do hodnot
viditelného světla. Takže některé fotony
viditelného spektra jsou schopny excitovat
jeho elektrony a jiné ne. A my dokážeme změřit
přechod mezi fotony, které mají dost energie
a které ne. Tedy které fotony
budou pohlceny a které projdou
na druhou stranu.

Abychom to světlo lépe viděli, nasměroval jsem ho na stranu
téhle krabičky s fotodiodou. Ta aktivní část je tady, takže to posunu,
aby světlo dopadalo na diodu. A opravdu prochází světlo. Teď přijde na řadu náš vzorek, který vložím před fotodiodu, takže světlo prochází
tudy, tudy a tudy, pak skrze vzorek
a dopadá na fotodiodu.

A ukazuje nám to nulu. A to proto,
že všechny fotony byly pohlceny. Fotony této vlnové délky
totiž mají dost energie, aby excitovaly elektrony
přes zakázané pásmo, načež jsou pohlceny. Změníme-li vlnovou délku a z modré se tedy
stane červená, ručička se začne pohybovat.

V tomto okamžiku
už světlo prochází skrz. Protože tyto fotony
už nemají dost energie, takže už nezvládnou
excitovat elektrony ve vzorku. Překlad: Beachboy
www.videacesky.cz