لماذا الزجاج شفاف؟

لماذا الزجاج شفاف بالمقارنة مع الرمل مع أن الاثنين يتكونان من نفس العناصر الطبيعية؟ للإجابة على هذا السؤال يتوجب فهم بعض الخصائص الفيزيائية وثم مقارنتها في حالة الزجاج.

أولاً ماهية الذرة؟

الذرة بأبسط أشكالها (الهيدروجين) تتألف من نواة ومن الإلكترون. النواة تقع في المركز بينما يتواجد الإلكترون ضمن مدار حول النواة. لن أدخل في التفاصيل كثيراً إلا أنه يتوجب فهم نقطة هامة وهي أن وجود الإلكترون 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 الإلكترون الانتقال من مدار إلى مدار أعلى (أبعد من النواة) يتوجب على الإلكترون اكتساب طاقة ولكي يقترب من النواة عليه أن يفقد طاقة. طبعاً عملية الكسب أو الخسارة للطاقة منظومة بكميات محددة وليست عشوائية نُسميها 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 الإلكترون متواجد في مكان ما على المدرجات. كما ذكرت سابقاً الانتقال بين المدرجات يُكلف الإلكترون كمية محددة من الطاقة ولهذا فإن على الإلكترون 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 بالإلكترون وتعتبر كمية الفوتون كافية لانتقال الإلكترون من مدار إلى آخر فيمتصه الإلكترون وينتقل من مدرج إلى آخر… (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 الإلكترون بين المدارات فيمتصه الإلكترون لكنه يصدر فوتون آخر بنفس الكمية التي امتصها فيبدو لنا وكأن الضوء انعكس عن المادة.

٣- الفوتون لا يتفاعل مع الإلكترونات المادة لأن إلكتروناتها 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 الإلكترونات. 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 الاثنين يتكونان من نفس العناصر؟

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