ОПТИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ
Більшість стекол пропускає світло та інші види променистої енергії. Прозорість скла визначає найважливіші галузі його застосування у народному господарстві, техніці та побуті.
З прозорістю скла пов'язані його оптичні властивості - відображення, заломлення, розсіювання, розкладання світла (дисперсія), вибіркове поглинання та двозаломлення.
Заломлення та дисперсія світла. Промінь світла, що переходить із середовища А з однією щільністю в середу В з іншою щільністю, на кордоні між ними змінює свій напрямок (рис. 3.2), оскільки швидкості поширення світла в середовищах А і B(va і Vb) обернено пропорційні їх щільності рА та рВ:
Де а - Кут падіння променів; (3 - Кут заломлення променів.
Якщо а — порожнеча, то (sin a/sin р) =п, де п — показник заломлення середовища В. Оскільки кут а більший за кут р, показник заломлення всіх прозорих тіл більше одиниці.
Мал. 3.3. Схема розкладання (дисперсії) світла призмою
Мал. 3.2. Заломлення світла на межі двох середовищ із різною щільністю
Величина п прямо пропорційна щільності прозорого середовища. Так як щільність стекол тим вище, чим більше молекулярна маса оксидів, що входять до їх складу, то найвищий показник заломлення буде у стекол, що містять важкі елементи, а найнижчий - у стекол з легких оксидів. Показники заломлення деяких стекол див. табл. 3.2.
Показник заломлення скла подібно до щільності залежить від швидкості його охолодження. Показник заломлення швидко охолодженого скла, як і щільність, нижче, ніж повільно охолодженого скла того ж хімічного складу, причому різниця може становити до 0,004-0,005.
Показник заломлення даного прозорого середовища тим менше, що більша довжина хвилі падаючого світла.Зазвичай характеристики середовища приймають її показник заломлення променів певної довжини хвилі; це найчастіше nD жовтих променів з А = 589-10-9 м (лінія Д спектру парів натрію). Так як промені з різною довжиною хвилі переломлюються по-різному, то пучок білого світла, проходячи через скляну призму, розкладається на його кольорові промені різної довжини хвилі (рис. 3.3). Це розкладання називається дисперсією.
Дисперсія вимірюється різницею показників заломлення даного середовища для довгих і коротких Хвиль, наприклад (nF-/2с), де Яр - показник заломлення променів з Xf = 486,1 • Ю-9 м (блакитна лінія спектру водню), а пс - показник заломлення променів із Хс = = 656,3-Ю-9 м (помаранчева лінія цього спектру). Різниця (пР-пк) називають середньою дисперсією.
Дисперсія залежить від складу скла; вона зростає зі збільшенням вмісту важких оксидів (РЬО) і триокису сурми. СаО та ВаО збільшують nD набагато більше, ніж дисперсію, а Р2О5 підвищує nD, але сильно знижує (nF-пс).
Показники заломлення скла вимірюють найчастіше за допомогою рефрактометрів з точністю ±0,00001 за умови, що зразки скла досить однорідні та добре відполіровані. Більш простим і швидким, але менш точним (±0,001) є імерсійний метод, при якому зразок скла почергово занурюють у суміші рідин з різними, відомими показниками заломлення. Зразок, що розглядається в мікроскоп, стає невидимим, коли його показник заломлення дорівнює показнику заломлення суміші.
Показники заломлення та середньої дисперсії скла розраховують за способом адитивності з точністю до 0,01. Точніший (до одиниці третього десяткового знака) метод розрахунку J1. І. Демкіної:
М _ - Jj____________ £2____________________
Таблиця 3.8. Коефіцієнти длярозрахунку показників заломлення та дисперсії скла (за даними JI. І. Демкіної)
Si, S2. Sn - парціальні коефіцієнти, що залежать від основного складу скла (табл. 3.8).
Підвищена дисперсія викликає кольоровий ореол та нечіткість контурів одержуваних зображень. Її можна знизити шляхом підбору таких оптичних систем із лінз або призм (званих ахроматичними), у яких дисперсія, створювана одними лінзами, знищується іншими.
Показники заломлення та дисперсії характерні для скла того чи іншого складу та дозволяють тому судити про його однорідність, контролювати сталість його складу, а також виявляти та усувати деякі порушення технології скла.
Подвійне заломлення променів. Скло, вільне від механічних напруг, ізотропне. Однак якщо шляхом сильного механічного впливу або різкого температурного поштовху створити у склі напруги, воно стає двозаломлюючим на кшталт прозорих кристалів-кварцу, гіпсу, слюди та ін. При зникненні напруг двозаломлення також зникає.
Таким чином, промінь світла, що входить у пластинку з напругою, як би ділиться на два промені, що мають різні швидкості: звичайний і незвичайний. Це називається поляризацією світла.
Проходячи в склі шлях довжиною /, м, промені набувають різниці ходу А, пропорційної відстані I і різниці швидкостей vy-vx. Різниця ходу дорівнює:
А = kyl (vy - vx), де ky - коефіцієнт пропорційності.
Якщо приблизно прийняти, що різниця швидкостей пропорційна різниці напруг:
СVy - Vx) = k2 (Ру - Рх), ТО А = kihl (іVy - Рх) = kl (Ру - Рх),
Де k-kkt - оптична постійна напруга, в середньому складова (2,4-2,8) • 10
З останнього рівняння отримуємору-px = A / kl, тобто по різниці ходу променів в двозаломлюючих стеклах можна обчислити напруги.
Відображення світла. Відношення кількості світла /0> відбитого від поверхні скла, до кількості світла I, що падає на його поверхню, називається коефіцієнтом відбиття. Коефіцієнт відбиття R прямо пропорційний куту падіння світла на скло. Для пучка, що падає перпендикулярно поверхні скла, R може бути виражений через показник заломлення скла п:
Коефіцієнт відбиття R зростає зі збільшенням показника заломлення Пв так, для скла з rtD = = 1,53 він становить 0,043, а для скла з nD = 1,65 (свинцевий кришталь)-0,061. Тому вироби, які повинні мати гарну гру світла у гранях, роблять із скла з високим показником заломлення.
Якщо світловий потік проходить послідовно через поверхню скла, то відображення відбувається на кожній поверхні і, врешті-решт, через скло пройде кількість світла.
Де 1 - загальна кількість світла, що падає на скло, a Ru R-г, R3, -, Rm - коефіцієнти відбиття від відповідних поверхонь.
Для світлового пучка перпендикулярного поверхні скла простого складу (наприклад, віконного) коефіцієнт відображення від однієї поверхні дорівнює 0,04 (4 %). Тоді кількість світла, що пройшло через скляну пластинку, обмежену двома поверхнями, складе: х2 = (1-0,04) (1-0,04) = 0,92, звідки 1-х2 = 0,08 (8%).
У складних оптичних системах (наприклад, мікроскопах, телескопах), які з низки лінз і призм, втрата відбитком може становити до 75—80 % падаючого світла; у цьому випадку зображення буде темним. Для збільшення світлосили акад. І. В. Гребенщиков із співробітниками розробили спосіб, званий просвітленням оптики. При цьому способі на поверхнюскла наноситься найтонша плівка фторидів або кремнекислота, показник заломлення яких дорівнює п скла. Товщина плівки повинна становити 0,25 довжини хвилі падаючого випромінювання. Така плівка в 7-10 разів зменшує коефіцієнт відображення та збільшує кількість світла, пропущеного склом. Якщо, навпаки, коефіцієнт відображення потрібно збільшити, на скло наносять плівку з більш високим показником заломлення, що використовується при виробництві напівпрозорих дзеркал, оптичних систем та декоративних цілей.
Розсіювання світла. Якщо світло падає на скло, що має шорстку поверхню або містить в масі багато дрібних сторонніх включень, воно багаторазово відбивається в різних напрямках і виходить зі скла у вигляді розсіяного пучка. Скло виглядатиме матовим, напівпрозорим, воно м'якше і рівномірніше розподілить пропущене світло, ніж прозоре скло. З такого світлорозсіювального скла виготовляють світлотехнічні вироби (абажури, ковпаки, плафони тощо). Світло, яке вони пропускають, не засліплює, оскільки джерело його (нитка розжарення електроламп) не видно через скло, що розсіює.
Поглинання світла. Замість розрахункових 92% падаючого світла скляні пластинки, за даними вимірів, фактично пропускають набагато менше. Найпрозоріші оптичні стекла пропускають у розрахунку на 1 см їх товщини трохи більше 91%, а звичайні промислові стекла-85-90,8%. Звідси випливає, що частина падаючого світлового потоку поглинається склом. Відношення кількості світла, пропущеного склом, /пр до падаючого світлового потоку / називається коефіцієнтом світлопропускання скла Т.
Світлопропускання скла вимірюється фотометром або спектрофотометром. Для розрахунків замість значення Т часто мають значення так званої оптичної щільностіскла D:
Знижене пропускання світла склом обумовлено присутністю в його складі барвників, що викликають вибіркове поглинання - поглинання променів певної довжини хвилі. Оптична щільність скла якраз і характеризує інтенсивність його вибіркового поглинання; вона пропорційна питомому поглинанню світла а, властивому даному барвнику, концентрації барвника у склі з товщиною скла d. Оптична щільність скла D - acd, а коефіцієнт світлопропускання T = eracd (е - основа натуральних логарифмів).
Внаслідок вибіркового поглинання світла склом вони пропускають промені певних довжин хвиль і тому мають той чи інший колірний відтінок або забарвлення. Поглинання світла в так званому безбарвному, а насправді слабо забарвленому склі, викликане присутністю в ньому сполук заліза, що вносяться сировинними матеріалами. У склі можуть бути сполуки двовалентного (закисного) Fe2+ і тривалентного (окисного) заліза Fe3+. Інтенсивність поглинання світла в різних областях спектру залежить від валентності сполук заліза та від їхнього вмісту у склі. Питоме поглинання світла двовалентного заліза Fe2+ в області видимих променів спектра в 10 разів більше за тривалентний Fe3+. Fe2+ поглинає головним чином промені з довжиною хвилі приблизно 600-Ю-9 м (жовті та червоні) і забарвлює скло у блакитний колір. Тривалентне-залізо найбільше поглинає промені довжиною хвилі 500- Ю-9 м (сині та фіолетові), жовті та червоні промені воно пропускає, забарвлюючи скло в жовтуватий колір. У склі завжди одночасно міститься дво- та тривалентне залізо: разом вони надають склу зеленого забарвлення, інтенсивність якого залежить від загального вмісту в ньому оксидів заліза.
Для ряду виробів (світлотехнічних,художнього скла та ін) зелене забарвлення, навіть слабке, небажане. Для таких виробів скло знебарвлюють. Розрізняють знебарвлення хімічне та фізичне. Вміст закисного та окисного заліза у склі (у перерахунку на ІеО+РегОз) не повинен перевищувати при хімічному знебарвленні 0,06 %, при фізичному – 0,08 %.
Хімічне знебарвлення зводиться до того, щоб по можливості перевести все залізо у склі у тривалентну форму. Хімічно знебарвлене скло злегка пофарбоване в жовтувато-зелений колір, але має високе світлопропускання.
Фізичне знебарвлення полягає в тому, що до складу скла вводять барвники, які забарвлюють його в колір, додатковий до фарбування залізними сполуками. В результаті такого фарбування (тобто подвійного поглинання світла) скло набуває нейтрального, сірого відтінку, але світлопропускання його знижується. З цього випливає, що поняття «світлопрозоре» та «знебарвлене» скло слід розрізняти.
Крім променів видимої області спектра скло здатне пропускати або поглинати невидимі промені (інфрачервоні, ультрафіолетові, рентгенівські, промені та ін). З розвитком науки і техніки виготовлення скла, що пропускає або поглинає ті чи інші лучні, набуває зростаючого значення. Пропускання склом променів інфрачервоної області спектра помітно впливає глибину його прогрівання за високих температур. Чим менше їх пропускається, тим менше теплоти проникає в скломасу і тим нижча температура її глибинних шарів.
Колір скла може змінюватися при дії на нього випромінювань, наприклад, сонячного світла. Блакитне скло, що містить закисне залізо, на сонці жовтіє; безбарвне скло, що містить сполуки марганцю, набуває бузкового забарвлення. Це явище, названесоляризацією, полягає в тому, що під впливом енергії ультрафіолетових випромінювань у скла, що містять оксиди марганцю та заліза, марганець окислюється за рахунок оксиду заліза.
Мп2+ + квант енергії = Мп3+ + е
Аналогічний ефект використовують для отримання так званих фотохромних стекол; в них фарбування з'являється тільки під час дії випромінювання, а потім зникає. Такі скла застосовують для захисту від сонця будівель і транспорту, підтримки постійної освітленості приміщень тощо.
Дія проникаючих радіації (у-променів, нейтронів і меншою мірою а - і р-часток) на скло призводить до його фарбування в масі, так як при цьому змінюється структура скла і утворюються групи іонів - «колірні центри», що зумовлюють виборче поглинання променистої енергії. Скло забарвлюється тим сильніше, чим інтенсивніше і довше його опромінювали. Фарбування скла під дією соляризації та проникаючих радіацій може бути знищене нагріванням його до температур, близьких до температури розм'якшення.
Багато скла під дією короткохвильових радіацій, наприклад ультрафіолетових і рентгенівських, способи світитися - люмі - єсцировать: отримана ними енергія переробляється в енергію світлову. Для цього скла повинні містити у своєму складі так звані активатори люмінесценції. Це деякі елементи змінної валентності: Мп (дає зелене чи червоне свічення),
Се (блакитне свічення), U (інтенсивне жовто-зелене свічення) та ін. Люмінесценція використовується для розпізнавання різних сортів скла, а також для технологічних та структурних досліджень.