Прозоре та непрозоре (закінчення)

Початок у «Кванті» № 8, 2019.

Ріс. 5

На малюнку 5 представлені фотографії двох зразків — з монокристалу CaF₂ і нанокераміки (полікристалу) CaF₂: Ce3^+. Обидва зразки — абсолютно прозорі!

Тепер обговоримо заломлення. У газів коефіцієнти заломлення мало відрізняються від одиниці, і вони взагалі мало кого хвилюють — крім астрономів. Відкрийте взимку вікно і подивіться, як єлозить пейзаж, або просто подивіться вгору, згадавши не знаю ким сказане «людина відрізняється від тварини тим, що іноді піднімає очі до неба», і зауважте, як загадково підморгують початківцям цікавитися фізикою зірки. І задумайтеся, чому елозить пейзаж і підморгують зірки… Хаотичний (турбулентний) рух в атмосфері потоків повітря з різною температурою, а значить з різними щільністю і коефіцієнтом заломлення, і викликає тремтіння і розмивання зображення. У астрономів є таке поняття — астроклімат, тобто атмосферні умови, що впливають на якість зображень, куди входить і однорідність повітря.

Рідини з високими коефіцієнтами заломлення n називають «іммерсійними» (від латинського immersio — «занурення»). Їх застосовують для визначення показників заломлення, для чого прозору частинку досліджуваної речовини поміщають в іммерійні рідини з відомими n — при рівності показників заломлення частинка робиться невидимою. Стандартні набори складаються з 30-100 таких рідин з коефіцієнтами переломлення від 1,4 до 2,1, але тверді речовини беруть гору. Хоча скло ледве дотягують до n = 1,9, але у алмаза n = 2,4, рядком з ним — титанати кальцію і стронцію та іодид таллію (n = 2,4), оксид титану (n = 2,5) і майже рекордсмен карбід кремнію SiC (n = 2,6). Саме тому SiC, муассаніт, використовується як імітатор діамантів в прикрасах (для цього також використовується фіаніт ZrO₂ з добавками, але у нього n поменше). Нещодавно було синтезовано з’єднання Al₃C₂B₄₈ з рекордним значенням n = 2,9-3,1, але про нього ще мало що відомо.

Освоївши оптичний діапазон, людина почала поширюватися на сусідні ділянки електромагнітного спектра. Для цього йому знадобилися насамперед оптичні матеріали, зокрема — прозорі для всякого роду віконець і переломлюючі для лінз і призм. Іншими словами, знадобився матеріал, прозорий у відповідній області спектра, тобто не дуже сильно поглинає випромінювання. Спрощуючи, можна сказати, що звичайне скло прозоре в діапазоні 0,35-2 мкм, тобто ультрафіолет (СФ) воно не пропускає, а інфрачервоне випромінювання (ІК) пропускає частково. Звичайно, ці значення, що наводяться в довідниках, умовні — досить тонка плівка будь-якого матеріалу пропустить будь-яке випромінювання. Але зазвичай оптики працюють з міліметрами і вимагають пропускання більшої частини випромінювання. Природне рішення — кварц. І ось діапазон розширюється в бік СФ до 0,2 мкм. Є особливі сорти скла з трохи більшим доступом в ВК. На цьому можливості скла вичерпані. У бік СФ трохи далі кварцу забираються BaF₂, MgF₂ і LiF — приблизно до 0,12 мкм. Зі стороною ВК справи йдуть краще: матеріалів багато, а рекордсменом буде CsI — він добирається приблизно до 60 мкм. Практично безперервно прозорий алмаз. Взагалі ж, оптичні матеріали при збільшенні довжини хвилі прозорі в основному починаючи з 200-300 мкм, SiO₂ — з 100 мкм, ZnS — з 50 мкм. Таким чином, найскладніша область — десятки мікрометрів. Що стосується коефіцієнта заломлення, то для матеріалів ультрафіолетового діапазону він становить близько 1,4, для інфрачервоного — групується навколо 1,7. Винятки — Si (n = 3,4), Ge (n = 4,1) і, звичайно, алмаз.

Ріс. 6

Ріс. 7

На малюнку 6 наведені прозорості деяких оптичних матеріалів (відкладені по осі ординат) і вказані відповідні товщини зразків. А на малюнку 7 проілюстровано два приклади використання матеріалів, прозорих поза оптичним діапазоном. Це мікросхема пам’яті з кварцовим віконцем для стирання інформації ультрафіолетом і лінза з хлориду калію KCl для роботи в інфрачервоному діапазоні.

Якщо все-таки говорити про платівки товщиною в міліметри, то для хвиль коротше 0,1 мкм з прозорими матеріалами справи йдуть погано, тобто майже ніяк. Тому доводиться задовольнятися віддзеркалювальною оптикою. Але і тут все не здорово — метали в діапазоні СФ відображають погано. Наприклад, Ag при довжині хвилі більше 0,4 мкм відображає, як і належить хорошому металу, 90% і більше, але при 0,25 мкм відображає тільки 30%. З іншими металами справа йде ще гірше, хіба що Al, причому саме при 0,25-0,4 мкм, веде себе краще (відображає 90%). Ось вони вдвох і зображують із себе рекордсменів. Підняти відображення, і істотно, вдається «просвітленням» — нанесенням на метал інтерференційних покриттів. Так можна отримати відображення 50% на хвилі 0,01 мкм — адже це вже майже рентген.

Коефіцієнти відображення від гладких поверхонь деяких металів залежно від довжини хвилі наведені на малюнку 8. На фрагментах а) і б) показано вплив технології виготовлення алюмінієвого дзеркала на величину коефіцієнта відображення: 1 — коли дзеркало напилене у високому вакуумі (10 ^‑ 6 Тор), 2 — коли в надвисокому вакуумі (¹⁰ ‑ 9 Тор). Навіть у межах оптичного діапазону коефіцієнт відображення для деяких металів змінюється помітно. Наприклад, для довжини хвилі 0,4-0,7 мкм коефіцієнт відображення Au становить 0,39-0,95, для Cu — 0,55-0,96, для Al — 0,92-0,90, для Ag — 0,97-0,99. Тому Au і Cu іншого, ніж Al і Ag, кольору. Людина з хорошим кольоровим зором або металовед відрізнить нікелеве покриття від хромового — перше трохи жовтіше. Іноді варіації кольору абсолютно несподівані. Так, прийнято вважати, що у тантала — блакитний відтінок. Але такий тільки тантал, що має примір ніобію Nb близько 3%, а чистий тантал — сірий.

Ріс. 8

Що стосується відображення від порошків, то порошок виглядає білим, якщо розмір порошинок такий, що відображення переважає над поглинанням. Тому чим сильніше поглинання, тим мельче треба роздробити речовину, щоб порошок побілів. Поглинання графіту настільки велике, що для реально досяжних розмірів частинок воно переважає над відображенням.

Особливий випадок представляє відображення від неоднорідних середовищ або сильно шорстких поверхонь — наприклад, від природних, природних. Адже для опису їх форми треба вводити різні масштаби — «шорсткість» в масштабі метрів і кілометрів може впливати інакше, ніж дрібномасштабна. Так, досі не ясно, чому яскравість диска Місяця не вбиває до краю. При падінні світла на розсіювальну поверхню вона повинна відображати по дотичній (нижче ми це обговоримо трохи докладніше) зовсім мало світла, тому край диска Місяця, який ми спостерігаємо саме що по дотичній, повинен бути темним. Одна з гіпотез полягає в тому, що плоскі ділянки поверхні Місяця темніші від схилів гір, і тому край диска, на якому ми бачимо в основному схили, здається відносно яскравішим (гіпотеза Галілея). У пізніших моделях враховували рельєф різного порядку — і гори, і окремі камені. Інша гіпотеза припускає, що в поверхневому шарі Місяця багато скляних кульок (оплавлення при ударах метеоритів?), які діють, як катафот, тобто відображають світло назустріч падаючому променю, назустріч Сонцю. А в повний місяць це буде якраз напрямок на Землю. Але це пояснення не діє в інший час.

Рідини в якості «оптичних матеріалів» використовуються досить рідко. Крім вказаних вище випадків іммерсійних рідин відоме використання в астрономії деяких рідин для заповнення порожнин в об’єктивах. Оптичні властивості рідин в інфрачервоній області використовуються дуже широко, але не оптиками, а хіміками — для встановлення складу. Відповідно, і оптичні властивості газів використовуються для дослідження сумішей газів. Важливі ці властивості і для розрахунку теплових процесів в атмосфері. Є, правда, один випадок, коли суміш газів (а саме — атмосфера) використовується як оптичне середовище — при лазерному зв’язку. Але тут немає вибору, атмосфера вже яка є, така і є, і зв’язківці говорять лише про «вікна прозорості». Для звичайної атмосфери це вікно 0,3-1,3 мкм — якраз наш зір, віконця 1,5-1,8 мкм, 2,0-2,6 мкм, 3,5-4,0 мкм, 4,3-5,5 мкм, вікна 7,0-15,0 мкм (цим користуються змії) і 30-70 мкм, кватирки в області 1 мм і 3 мм, а далі, починаючи з 1 см, — це вже радіодієстон.

І ще в одній ситуації важливо домогтися гранично малого поглинання — це теж далекий зв’язок, тільки не по повітрю, а по склу. Оптоволокно для передачі сигналу на велику відстань робиться з SiO₂, тобто з кварцу. Головний параметр оптоволокна — здатність передавати сигнал з малими спотвореннями на велику відстань. Спотворення і втрати залежать від матеріалу, конструкції та експлуатації. Конкретно — від матеріалу потрібні малі втрати (тобто поглинання і розсіювання) і дисперсія. Щоб зменшити втрати, потрібно використовувати діапазон 1,2-1,7 мкм і зменшувати домішки Fe, Cr, Cu, Co, V, Mo, OH-груп. Саме з’ясування причин втрат і отримання кварцу з низьким вмістом цих домішок дало свого часу можливість почати активно застосовувати світловоди. Відтоді втрати зменшено приблизно раз на сто, сьогодні рекорд 0,15 дБ/км, причому це майже теоретична межа. (Про розмірність децибел на кілометр можна подивитися в інтернеті.) Межа — «реліївське розсіювання», те саме, через яке небо блакитне, воно дає 0,13 дБ/км. Але ослаблення 0,13-0,15 дБ/км означає, що на кілометровому шматку кабелю сигнал втрачає 3-3,5% потужності.

Щоб зробити світловод, потрібен спосіб керування коефіцієнтом заломлення. І тут нам пощастило — є домішки, які його знижують (фтор F, бір B) і збільшують (алюміній Al, німеччин Ge, фосфор P), але не викликають поглинання. Матеріал повинен бути надчистим саме за поглинаючими домішками і треба забезпечити оптимальну концентрацію корисних, причому змінну за перетином волокна, тобто оптимально залежну від радіусу. У техніці не так багато областей, для яких потрібні надчисті речовини. Загальновідомий приклад — напівпровідникова техніка: багато домішок катастрофічно впливають на властивості. Інший приклад — атомна техніка: так, у реакторних матеріалах повинна бути мала примісь речовин, що поглинають нейтрони (B, Li, Cd). Оптоволокно з концентрацією домішок порядку 10 ^_ 8 відсотка за масою — третій приклад.

Поза діапазоном 1,2-1,7 мкм втрати в SiO₂ збільшуються, а використовувати видиме або більш далеке ІК-випромінювання теж хочеться. Тому для видимого діапазону існує оптоволокно з «звичайних» скла: натрій — кальцій — кремній (Na2_O — CaO — SiO2₎ або натрій — бор — кремній (Na2_O — B2_O3 — SiO2₎. В ВК-діапазоні застосовують фторидні (наприклад, на ZrF4 — BaF2₎ і халькогенідні (As2_S3_, As2_Se3₎ скла, а також кристалічні матеріали на основі TlCl, AgCl. Різноманітність матеріалів цих груп досить велика і виділити кращі важко — поки що втрати в них всіх досить великі і використовують їх для передачі тільки на короткі відстані. Але теоретично в оптоволокні з цих матеріалів можливе досягнення навіть кращих параметрів, ніж в SiO2_, тому нас ще чекають пригоди. І ці пригоди можуть стати вашими пригодами, якщо ви будете їх шукати і знайдете…

Тепер — про те, з чого ми почали статтю, тобто про блиск. У природі його небагато, зате сороки і деякі люди його люблять. У результаті в людському суспільстві утворилася «субкультура блиску», що сильно перетинається з усім ювелірним. Фахівці з мінералів вважають, що за характером блиску мінерали можна розділити на три групи: з металевим, півметалічним і неметалічним блиском. Металевий блиск мінералів нагадує блиск гладкої свіжої поверхні металу. Він характерний для непрозорих мінералів (галеніт, пірит, халькопірит, самородні золото, срібло, платина). Назви деяким з цих мінералів спочатку давалися по їх інтенсивному металевому блиску, наприклад — свинцевий блиск (галеніт), сурм’яний блиск (антимоніт). Напівметалічний блиск схожий з блиском спітнілої поверхні металу і зустрічається біля непрозорих і напівпрозорих мінералів (графіт, гематит, темний сфалерит, магнетит). Найбільш широко поширений неметалевий блиск. Він характерний для цілого ряду прозорих і напівпрозорих мінералів. Виділяється досить велика кількість різновидів неметалевого блиску:

• скляний — нагадує блиск поверхні скла, це найпоширеніший вид блиску, ним володіють близько 70% всіх мінералів (кварц на гранях кристалів, кальцит, доломіт, флюорит, польові шпати);
• алмазний — дуже сильний блиск, нерідко затушовує власне забарвлення мінералу (алмаз, світлий сфалерит, каситерит);
• жирний — близький до скляного, але дещо більш тьмяний блиск, коли поверхня мінералу здається покритою плівкою жиру (кварц на зламі, нефелін, самородна сірка);
• перламутровий — аналогічний блиску перламутрової раковини з райдужними переливами, характерний для пластинчастих мінеральних агрегатів (мусковіт, гіпс, тальк);
• шовковистий — спостерігається при тонковолокнистій будові мінералів і нагадує блиск шовкових ниток (азбест, волокнистий гіпс);
• восковий — тьмяний, що нагадує блиск воску, характерний для агрегатів з досить грубою поверхнею (халцедон, кремінь);
• матовий блиск — коли мінерали практично не блищать, зустрічається біля тонкодисперсних землистих мінеральних агрегатів (каолініт, лимоніт, глауконіт).

Між тим, залишається неясним, за яких умов людина називає відбитий сигнал оптичного діапазону «блиском». Виявляється, мозок називає блиском не просто добре відображає, а відбиває вузьким пучком променів, причому так, щоб промені потрапили переважно тільки в одне око. Про це детально і захопливо розповідається, наприклад, у книзі Я. І. Перельмана «Цікава фізика» (книга 1, глава 9). Втім, цю книгу можна просто переказувати всю, так що скачайте її з інтернету і читайте самі на дозвіллі.

Насамкінець зауважимо, що коли ми говоримо про оптичні властивості, то завжди передбачаємо видиме оком, тобто певну частоту випромінювання і певний — видимий — розмір об’єкта. Але бувають інші частоти та інші розміри об’єктів. Ультрафіолетове та інфрачервоне випромінювання аналізують традиційно разом з видимим, а в міру видалення від веселки і потрапляння в область рентгенівського випромінювання і міліметрових радіохвиль, коли речовини починають поводитися істотно інакше, ми потрапляємо в інший, не менш цікавий розділ підручника. Що ж до розмірів об’єкта, то речовини складаються з атомів і молекул, і ми маємо право запитати, як фотон взаємодіє з одиночним атомом або молекулою і як із взаємодії з одиночним атомом виходить взаємодія з молекулою і речовиною.

Фотони можуть або поглинатися, або розсіюватися, причому розсіювання істотно при значно більших енергіях (рентген, гамма-випромінювання). Поглинання може відбуватися через передачу енергії або електронам в атомі, або коливанням атомів в молекулі, або електронному газу в провідниках. А далі — або випромінювання атома, який поглинув фотон (люмінесценція, відображення діелектриками), або коливання електронного газу та його випромінювання (відбиття світла металами), або перехід у тепло (саме тому метали відображають по-різному, а коти так люблять грітися на сонечку).