Илья Мельников - Стекло и его свойства. Сырьевые материалы для стекловарения. Приготовление шихты
Преломление – это изменение направления распространения света при его переходе из одной среды в другую, отличающуюся от первой значением скорости распространения.
При прохождении луча света из среды А в среду В с иной плотностью (рис. 6) он меняет свое направление на границе этих сред, так как скорость распространения света в средах А и В обратна их плотности.
Для примера проанализируем путь луча света (рис. 7) при прохождении его в воздухе и через плоскопараллельную стеклянную пластину.
Падающий луч образует углы с нормалью к поверхности раздела сред в точке падения. Если луч идет из воздуха в стекло, то i (угол падения) больше r (угол преломления), потому что в воздухе скорость распространения световых волн больше, чем в стекле, так как воздух является средой оптически менее плотной, чем стекло,
Преломление света характеризуется относительным показателем преломления – отношением скорости света в среде, из которой падает свет на границу раздела, к скорости света во второй среде. Показатель преломления пропорционален плотности прозрачной среды, т.е. чем больше плотность, тем выше значение показателя преломления. Так как плотность стекол выше, чем удельный вес входящих в него окислов, то наибольшим показателем будут обладать стекла, содержащие окислы тяжелых элементов, соответственно наименьшим – содержащие окислы легких элементов.
Относительный показатель преломления не имеет размерности и для прозрачных сред «воздух-стекло» всегда больше единцы. К примеру, относительные показатели преломления по отношению к воздуху у воды 1,33, хрустального стекла 1,6, алмаза – 2,47.
Дисперсия. Дисперсией называется зависимость показателя преломления от частоты света (длины волны).
Для нормальной дисперсии характерно возрастание показателя преломления с увеличением частоты или с уменьшением длины волны. Вследствие преломления лучей с разной длиной волны пучок белого света, проходя через стеклянную призму, разлагается на цветные лучи и образует на экране, установленном за призмой, радужную полосу – призматический (дисперсионный) спектр (рис. 8).В спектре цвета расположены в определенной последовательности, начиная с фиолетового и заканчивая красным (рис. 9).
Причиной разложения света (дисперсии) является зависимость показателя преломления от частоты света (длины волны): чем выше частота света (короче длина волны), тем выше показатель преломления. В призматическом спектре наименьшей частотой и наибольшей длиной волны обладают красные лучи, а наибольшей частотой и наименьшей длиной волны обладают фиолетовые лучи, следовательно красные лучи преломляются меньше, чем фиолетовые. Дисперсия зависит от состава стекла и возрастает при увеличении содержания в стекле тяжелых окислов, например, PbO.
Показатель преломления и дисперсия напрямую зависят от состава стекла, а показатель преломления и от плотности: чем выше плотность, тем выше показатель преломления. Оксиды CaO, BaO, PbO и некоторые другие и щелочные повышают показатель преломления, добавка SiO – снижает. BaO и CaO сильнее влияют на показатель преломления, чем на дисперсию. Для производства высокохудожественных изделий сортовой посуды, подвергающихся шлифованию, используют в основном стекла, содержащие до 30% PbO, так как он наибелее значительно увеличивает показатель преломления и дисперсию.
Отражение света. Отражение света – это явление, наблюдаемое при падении света на поверхность раздела двух оптически разнородных сред и состоящее в образовании отраженной волны, распространяющейся от поверхности раздела в ту же среду, из которой приходит падающая волна. Отражение характеризуется коэффициентом отражения, который равен отношению отраженного светового потока к падающему. От поверхности стекла отражается около 4% света.
Коэффициент отражения возрастает с увеличением показателя преломления, поэтому стекла, имеющие высокий показатель преломления (содержащие окислы тяжелых элементов), имеют повышенный коэффициент отражения. Эффект отражения усиливается при наличии многочисленных полированных поверхностей. Этой закономерностью широко пользуются при изготовлении хрустальных изделий с алмазной гранью.
Если неровности поверхности раздела малы по сравнению с длиной волны падающего света, то происходит зеркальное отражение, а если неровности больше длины волны – диффузное отражение, при котором свет рассеивается поверхностью по всевозможным направлениям. Отражение называется селективным, если коэффициент отражения неодинаков для света с различной длиной волны. Селективным отражением объясняется окраска непрозрачных материалов.Рассеяние света. Рассеяние света происходит при распространении световых волн в среде с беспорядочно расположенными неоднородностями и состоит в образовании вторичных волн, которые распространяются по всевозможным направлениям. Рассеяние света таким образом зависит от состояния поверхности стекла и однородности его массы. В обычном прозрачном стекле рассеяния света практически не происходит. Если поверхность стекла неровная (матовое стекло) или в его массе равномерно распределены инородные включения, то световые волны не могут пройти через стекло без рассеяния. Такое стекло выглядит матовым, полупрозрачным. Оно распределяет свет более равномерно. Рассеивающими стеклами широко пользуются при изготовлении всевозможных изделий светотехнической арматуры: абажуры, колпаки, плафоны.
Пропускание и поглощение света. При прохождении пучка света через поверхность прозрачного вещества интенсивность первоначального потока ослабляется и выходящий пучок света окажется меньше. Если сложит свет отраженный и преломленный при прохождении через среду, то не получится всего количества света, которое падает на стекло: ослабление светового потока связано частично с явлениями отражения и рассеяния света, что главным образом происходит за счет поглощения световой энергии, обусловленного взаимодействием света с частицами среды. Поглощение света вызвано присутствием в стекле соединений-красителей, вызывающих избирательное поглощение, т.е. поглощение лучей только определенной длины волны.
Поглощение снижает общую светопрозрачность стекла, которая для, например, бесцветного натрий-кальций-силикатного стекла равняется 93%. Для получения стекол с высокой степенью светопрозрачности необходимо свести к минимуму содержание в сырьевых материалах нежелательных примесей.
Поглощение света различно для различных длин волн, поэтому окрашенные стекла имеют разный цвет. Цвет стекла, который воспринимается глазом, обусловлен цветом той части падающего пучка света, которая прошла через стекло непоглощенной (таб. 1).
Таблица 1. Цвет стекла в зависимости от поглощаемой части спектра
Цвет стекла является дополнительным к цвету поглощенного излучения. К примеру, стекло, которое поглощает зелено-синюю часть спектра, имеет оранжевый цвет.
Показатели пропускания (поглощения) в видимой области спектра важны для оценки цвета сортовых, сигнальных и других окрашенных стекол, в ультрафиолетовой – для эксплуатационных свойств стекол (изделия из увиолевого стекла должны пропускать ультрафиолетовые лучи, а тарные наоборот задерживать), в инфрокрасной области – для технологической варки стекла и формования изделий (теплопрозрачность стекол).
Двойное лучепреломление. Двойное лучепреломление – это раздвоение света при прохождении через оптически анизотропную среду, т.е. через среду с различными свойствами по разным направлениям (например, большинство кристаллов). Это явление происходит потому, что показатель преломления зависит от направления электрического вектора световой волны. Луч света, входящий в кристалл, разлагается на два луча, скорости распространения которых различны. Двойное лучепреломление характеризуется разностью хода лучей. При неравномерном охлаждении или нагревании стекла в нем возникает внутреннее напряжение, вызывающее двойное лучепреломление, т.е. стекло уподобляется двупреломляющему кристаллу, например, кварца, слюды, гипса. Это явление используется для контроля качества термической обработки стекла, главным образом отжига и закалки.Классификация сортовых стекол и стеклоизделий.
Посуду и декоративные изделия из стекла, используемые в быту, обычно называют сортовой посудой или сортовыми изделиями; соответственно стекла, из которых изготовляют эти изделия, называют сортовыми.
Сортовые стекла.
Натрий-кальций-силикатное – бесцветное стекло, содержащее в основном диоксид кремния, оксиды щелочных металлов, оксиды щелочноземельных металлов и дополнительные компоненты.
Специальное бытовое – натрий-кальций-силикатное стекло, содержащее добавки оксидов и обладающее заданными физико-химическими свойствами.
