Cette fenêtre en verre fait ce qu'elle fait de mieux :protéger des intempéries tout en laissant passer la lumière. Comstock/Thinkstock Avez-vous déjà vu une maison se construire ? Les charpentiers érigent d'abord le squelette de base de la structure à l'aide de poteaux deux par quatre. Ensuite, ils clouent le revêtement, généralement du contreplaqué, aux poteaux pour faire des murs. La plupart des murs comprennent une ouverture de fenêtre, qui contient une feuille de verre située à l'intérieur d'un cadre. Les fenêtres rendent une maison lumineuse, chaleureux et accueillants car ils laissent entrer la lumière. Mais pourquoi une vitre devrait-elle être plus transparente que le bois qui l'entoure ? Après tout, les deux matériaux sont solides, et tous les deux protègent de la pluie, neige et vent. Pourtant le bois est opaque et bloque complètement la lumière, tandis que le verre est transparent et laisse passer le soleil sans entrave.
Vous avez peut-être entendu certaines personnes - même certains manuels de sciences - essayer d'expliquer cela en disant que le bois est un véritable solide et que le verre est un liquide très visqueux. Ils avancent ensuite que les atomes du verre sont plus éloignés les uns des autres et que ces espaces laissent passer la lumière. Ils peuvent même pointer du doigt les fenêtres de maisons centenaires, qui semblent souvent ondulés et inégalement épais, comme preuve que les fenêtres ont "coulé" au fil des ans comme le lent rampement de mélasse par une journée froide.
En réalité, le verre n'est pas du tout liquide. C'est un type spécial de solide connu sous le nom de solide amorphe . Il s'agit d'un état de la matière dans lequel les atomes et les molécules sont verrouillés en place, mais au lieu de former net, cristaux ordonnés, ils s'arrangent au hasard. Par conséquent, les verres sont mécaniquement rigides comme les solides, ont pourtant l'arrangement désordonné des molécules comme les liquides. Les solides amorphes se forment lorsqu'une substance solide est fondue à haute température puis refroidie rapidement - un processus connu sous le nom de extinction .
De plusieurs façons, les verres sont comme la céramique et ont toutes leurs propriétés :durabilité, force et fragilité, haute résistance électrique et thermique, et le manque de réactivité chimique. Verre oxydé, comme le verre commercial que vous trouvez dans le verre plat et le verre plat, conteneurs et ampoules, a une autre propriété importante :il est transparent à une gamme de longueurs d'onde connue sous le nom de lumière visible. Pour comprendre pourquoi, nous devons examiner de plus près la structure atomique du verre et comprendre ce qui se passe lorsque les photons - les plus petites particules de lumière - interagissent avec cette structure.
Nous le ferons ensuite.
D'abord, rappeler que les électrons entourent le noyau d'un atome, occupant différents niveaux d'énergie. Pour passer d'un niveau d'énergie inférieur à un niveau supérieur, un électron doit gagner de l'énergie. A l'opposé, passer d'un niveau d'énergie supérieur à un niveau inférieur, un électron doit céder de l'énergie. Dans tous les cas, l'électron ne peut gagner ou libérer de l'énergie que dans des faisceaux discrets.
Considérons maintenant un photon se déplaçant vers et interagissant avec une substance solide. L'une des trois choses suivantes peut se produire :
Un verre, bien sûr, rentre dans cette dernière catégorie. Les photons traversent le matériau car ils n'ont pas suffisamment d'énergie pour exciter un électron de verre à un niveau d'énergie plus élevé. Les physiciens en parlent parfois en termes de théorie des bandes , qui dit que les niveaux d'énergie existent ensemble dans les régions connues sous le nom bandes d'énergie . Entre ces bandes se trouvent des régions, connu comme bandes interdites , où les niveaux d'énergie pour les électrons n'existent pas du tout. Certains matériaux ont des bandes interdites plus importantes que d'autres. Le verre est l'un de ces matériaux, ce qui signifie que ses électrons nécessitent beaucoup plus d'énergie avant de pouvoir passer d'une bande d'énergie à une autre et vice-versa. Photons de lumière visible — lumière avec des longueurs d'onde de 400 à 700 nanomètres, correspondant aux couleurs violettes, indigo, bleu, vert, jaune, orange et rouge - n'ont tout simplement pas assez d'énergie pour provoquer ce saut. Par conséquent, les photons de la lumière visible traversent le verre au lieu d'être absorbés ou réfléchis, rendre le verre transparent.
À des longueurs d'onde inférieures à la lumière visible, les photons commencent à avoir suffisamment d'énergie pour déplacer les électrons de verre d'une bande d'énergie à une autre. Par exemple, lumière ultraviolette, qui a une longueur d'onde allant de 10 à 400 nanomètres, ne peut pas traverser la plupart des verres d'oxyde, comme le verre d'une vitre. Cela fait une fenêtre, dont la fenêtre de notre hypothétique maison en construction, aussi opaque à la lumière ultraviolette que le bois l'est à la lumière visible.
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Publié à l'origine :19 juin 2000
