tisdag 1 september 2015

Varför är glas genomskinligt?

Idag tänkte jag prova förklara varför glas är genomskinligt genom att använda en bankomat som liknelse.

Jag upptäckte att jag inte kunde svara på frågan "Varför är glas genomskinligt?" (Det var jag som ställde frågan till mig själv). Efter lite klurande kom jag fram till en hypotes: elektrisk konduktivitet och optisk transparens är delar av samma fenomen.

Jag inser att jag har förlorat många av er redan, men häng kvar, snart kommer det bankomater. Vad betyder egentligen hypotesen? Jo, att material som är elektriskt ledande inte kan vara genomskinliga, och tvärtom, material som är genomskinliga kan inte vara elektriskt ledande.

Efter lite googlande har jag bekräftat min hypotes men innan vi kommer dit behöver vi en liten repetition på det här med hur saker är uppbyggda. Saker är för det mesta uppbyggda av atomer[källa behövs] , atomer som består en kärna, i sin tur bestående av protoner och neutroner, och ett antal av elektroner. Illustrationen nedan visar schematiskt syreatomen med sina åtta elektroner i två skal.
Illustration: Pumbaa (efter original av Greg RobsonCC BY-SA 2.0 UK
Kvantfysiken säger att elektroner bara kan finnas i vissa diskreta energinivåer (de vi kallar för "skal"). För att en elektron ska kunna hoppa från en energinivå till en annan måste den ha tillräckligt med energi för att orka till nästa energinivå, får den inte det kan den inte göra hoppet. Det går att jämföra med en bankomat där du bara kan ta ut pengar i jämna hundratal.

Fotonen förstår precis hur det känns.
Om en foton, det vill säga en ljuspartikel, träffar ett solitt material försöker den överlämna sin energi till materialet. Parallellen till bankomaten är att du försöker ta ut pengar. Om energin som fotonen bär med sig inte är tillräcklig för att få en elektron att hoppa från en energinivå till en annan så kan fotonen inte överlämna sin energi. Olika material har elektroner som kräver olika mängd energi för att hoppa till nästa energinivå.

De flesta material har elektroner på olika energinivå som kan ta emot olika mängd energi, lite som att du kan ta ut 100, 200 eller 300 hundra kronor ur de flesta bankomaterna. Men så finns det vissa material som har ett glapp när det gäller vilka energimängder de kan ta emot. De är som bankomater som bara har 500-kronorssedlar. Om du kommer med till en sådan bankomat med 300 eller 400 kronor på kontot så kan du inte ta ut några pengar utan måste leta upp en annan bankomat som där du kan ta ut i jämna hundratal. Samma sak gäller för fotoner.

När det här händer för fotonen så fortsätter den bara igenom betalstationen.
Genomskinliga material är som bankomater med bara 500-kronorssedlar. Vi kan tänka oss att synligt ljus har antingen 100, 200, 300 eller 400 kronor på kontot. När de här fotoner kommer till en bankomat som bara har 500-kronorssedlar kan de inte ta ut några pengar utan måste fortsätta tills de hittar en automat som har 100-kronorssedlar. Det gör dessa "bara-500-kronorssedlar"-materialen genomskinliga, fotonerna kommer fram till dem men kan inte ta ut några pengar och passerar därför rakt igenom.

Då har vi det här med elektriskt ledande material. De har egenskapen att det är lätt för elektroner att röra på sig, det är liksom grejen eftersom elektricitet är elektroner som rör på sig. Men som vi kom fram till tidigare så var en förutsättning för att ett material ska vara genomskinligt att det är svårt för elektronerna att röra sig. Material som är elektriskt ledande kan således liknas vid nypåfyllda bankomater som kan medge uttag om 100 kronor. Där kan fotonerna "ta ut alla sina pengar" och behöver därför inte fortsätta leta efter "bankomat". Av den anledningen är elektriskt ledande material inte genomskinliga.

Sammanfattningsvis kan vi konstatera att det här med genomskinlighet är lite knöligt att förstå och att det är jobbigt med bankomater som bara har femhundrakronorssedlar.