Essa janela de vidro está fazendo o que faz de melhor - mantendo o clima inclemente do lado de fora, enquanto ainda permite a passagem de luz. Comstock / Thinkstock Já assistiu a uma casa sendo construída? Os carpinteiros primeiro erguem o esqueleto básico da estrutura usando pregos de dois por quatro. Então eles pregam o revestimento, geralmente madeira compensada, para as vigas para fazer paredes. A maioria das paredes inclui uma abertura de janela, que contém uma folha de vidro situada dentro de uma moldura. As janelas tornam a casa mais iluminada, caloroso e acolhedor porque eles deixam a luz entrar. Mas por que uma janela de vidro deveria ser mais transparente do que a madeira que a rodeia? Afinal, ambos os materiais são sólidos, e ambos evitam a chuva, neve e vento. No entanto, a madeira é opaca e bloqueia a luz completamente, enquanto o vidro é transparente e permite que a luz do sol flua livremente.
Você pode ter ouvido algumas pessoas - até mesmo alguns livros de ciências - tentar explicar isso dizendo que a madeira é um sólido verdadeiro e que o vidro é um líquido altamente viscoso. Eles então argumentam que os átomos no vidro estão mais separados e que essas lacunas permitem que a luz passe. Eles podem até apontar para as janelas de casas centenárias, que muitas vezes parecem ondulados e desigualmente espessos, como evidência de que as janelas "fluíram" ao longo dos anos como o lento rastejar do melaço em um dia frio.
Na realidade, o vidro não é líquido. É um tipo especial de sólido conhecido como sólido amorfo . Este é um estado da matéria em que os átomos e moléculas estão travados no lugar, mas em vez de formar limpo, cristais ordenados, eles se organizam aleatoriamente. Como resultado, vidros são mecanicamente rígidos como sólidos, ainda assim, tem o arranjo desordenado de moléculas como líquidos. Sólidos amorfos se formam quando uma substância sólida é derretida em altas temperaturas e, em seguida, resfriada rapidamente - um processo conhecido como extinção .
De muitas maneiras, vidros são como cerâmicas e têm todas as suas propriedades:durabilidade, força e fragilidade, alta resistência elétrica e térmica, e falta de reatividade química. Vidro de óxido, como o vidro comercial que você encontra em chapas e chapas de vidro, recipientes e lâmpadas, tem outra propriedade importante:é transparente para uma faixa de comprimentos de onda conhecida como luz visível. Para entender por que, devemos examinar mais de perto a estrutura atômica do vidro e entender o que acontece quando os fótons - as menores partículas de luz - interagem com essa estrutura.
Faremos isso a seguir.
Primeiro, lembre-se de que os elétrons circundam o núcleo de um átomo, ocupando diferentes níveis de energia. Para passar de um nível de energia inferior para um superior, um elétron deve ganhar energia. Por outro lado, para passar de um nível de energia superior para um inferior, um elétron deve desistir de energia. Em ambos os casos, o elétron só pode ganhar ou liberar energia em feixes discretos.
Agora vamos considerar um fóton movendo-se em direção a uma substância sólida e interagindo com ela. Uma de três coisas pode acontecer:
Copo, claro, cai nesta última categoria. Os fótons passam pelo material porque não têm energia suficiente para excitar um elétron de vidro a um nível de energia mais alto. Os físicos às vezes falam sobre isso em termos de teoria da banda , que diz que os níveis de energia existem juntos em regiões conhecidas como faixas de energia . Entre essas bandas estão as regiões, conhecido como lacunas de banda , onde os níveis de energia para elétrons não existem. Alguns materiais têm lacunas de banda maiores do que outros. O vidro é um desses materiais, o que significa que seus elétrons requerem muito mais energia antes de poderem pular de uma banda de energia para outra e vice-versa. Fótons de luz visível - luz com comprimentos de onda de 400 a 700 nanômetros, correspondendo às cores violeta, índigo, azul, verde, amarelo, laranja e vermelho - simplesmente não tem energia suficiente para causar esse salto. Consequentemente, fótons de luz visível viajam através do vidro em vez de serem absorvidos ou refletidos, tornando o vidro transparente.
Em comprimentos de onda menores que a luz visível, os fótons começam a ter energia suficiente para mover os elétrons de vidro de uma banda de energia para outra. Por exemplo, luz ultravioleta, que tem um comprimento de onda que varia de 10 a 400 nanômetros, não pode passar pela maioria dos vidros de óxido, como o vidro em uma vidraça. Isso cria uma janela, incluindo a janela em nossa casa hipotética em construção, tão opaco para a luz ultravioleta quanto a madeira para a luz visível.
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Originalmente publicado:19 de junho 2000
