Оптические свойства: преломление
Особенности взаимодействия световых лучей со стеклом определяют оптические свойства стекол. Одним из краеугольных свойств является преломление - изменение направления распространения света при его переходе из одной среды в другую, отличающуюся от первой величиной скорости распространения. Световой луч при переходе из среды А в среду В с другой плотностью меняет свое направление на границе этих сред, поскольку скорость распространения света в средах А и В обратна их плотности. Схема преломления световых лучей на границе двух сред:
Отношением скорости света в среде, из которой падает свет на разделяющую границу к скорости света во второй среде называется относительным показателем преломления и является основной характеристикой преломления. Относительный показатель преломления пропорционален плотности среды: величина показателя преломления тем выше, чем больше значение плотности. Поскольку плотность стекла больше, чем удельный вес входящих в него оксидов, то самый высокий показатель преломления имеют стекла, содержащие оксиды тяжелых элементов, а самый низкий – содержащие оксиды легких элементов. Оксиды CaO, BaO, PbO и некоторые другие увеличивают показатель преломления, SiO – уменьшает.
Относительный показатель преломления всегда больше единицы для прозрачных сред «воздух-стекло», поскольку не имеет размерности.
Оптические свойства: дисперсия
Зависимость показателя преломления от длины волны или частоты света называется дисперсией. В процессе дисперсии показатель преломления увеличивается с возрастанием частоты или с уменьшением длины волны. Поток белого света проходит через стеклянную призму и расщепляется на разноцветные лучи. Из-за преломления лучей с разной длиной волны на экране, установленном за призмой, образуется радужная полоса – дисперсионный спектр:
В спектре цвета расположены в определенной последовательности, начиная с фиолетового и заканчивая красным:
Наименьшей частотой и наибольшей длиной волны обладают лучи красной части дисперсионного спектра, а наибольшей частотой и наименьшей длиной волны – фиолетовые лучи. Таким образом, преломление фиолетовых лучей больше, чем красных. Состав стекла влияет на дисперсию: возрастание содержания в стекле оксидов тяжелых металлов, например, свинца (PbO), увеличивает дисперсию.
Оптические свойства: отражение
Отражение - физический процесс взаимодействия волн или частиц с поверхностью, изменение направления волнового фронта на границе двух сред с разными свойствами, в котором волновой фронт возвращается в среду, из которой он пришёл. Одновременно с отражением волн на границе раздела сред, как правило, происходит преломление волн (за исключением случаев полного внутреннего отражения). Это явление характеризуется коэффициентом отражения, который равен отношению отраженного светового потока к падающему. Поверхность стекла отражает около 4% света.
Согласно закону отражения падающий и отраженный лучи лежат в одной плоскости с нормалью к отражающей поверхности в точке падения, и эта нормаль делит угол между лучами на две равные части:
Чем выше показатель преломления, тем больше коэффициент отражения. Стекла, которые содержат оксиды тяжелых элементов и имеют высокий показатель преломления, обладают и повышенным коэффициентом отражения. Наличие множества полированных поверхностей усиливает отражение, что успешно применяется в производстве хрустального стекла с алмазной гранью.
Существует несколько видов отражения:
Оптические свойства: рассеяние
Если световой пучок падает на неровную поверхность (А) или мелкие частицы (Б), то направление лучей меняется случайным образом и происходит рассеяние света.
То есть на рассеяние света прямо влияет состояние поверхности стекла и его однородность. Так, в прозрачном стекле почти не происходит рассеяния света. Неровная (матовая) поверхность стекла или равномерно распределенные в его массе инородные включения способствуют рассеянному прохождению сквозь него световых волн. Полупрозрачное матовое стекло распределяет свет более равномерно. Из подобных видов стекла изготавливают такие светорассеивающие элементы, как плафоны и абажуры для светильников, перегородки, двери и так далее.
Оптические свойства: пропускание и поглощение света
При прохождении пучка света определенной интенсивностью через прозрачную интенсивность первоначального потока ослабевает и выходящий из среды пучок света будет иметь меньшую интенсивность. Это снижение светового потока происходит из-за поглощения световой энергии вследствие взаимодействия света с частицами среды. Поглощение уменьшает общую светопрозрачность стекла, составляющую для прозрачного натрий-кальций-силикатного стекла около 93%.
Поглощение света неодинаково для волн различной длины, поэтому тонированные стекла имеют разный цвет. Воспринимаемый глазом цвет базируется на цвете той части падающего пучка света, которая прошла через стекло непоглощенной:
Различные виды стекла обладают различными показателями пропускания-поглощения лучей видимой части спектра, и это определяет их применение: например, свойства стекол в инфракрасной области важны для технологических процессов варки стекла и формования изделий. Показатели в ультрафиолетовой области характеризуют эксплуатационные свойства стекла: одни виды (например, увиолевое стекло) должны пропускать ультрафиолетовые лучи, другие (например, тарное стекло) – задерживать.