Оптические свойства стекол

Оптические свойства стекол связаны с характерными особенностями взаимодействия световых лучей со стеклом. Именно оптические свойства определяют красоту и своеобразие декоративной обработки стеклоизделий.

Преломление и дисперсия характеризуют закономерности распространения света в веществе в зависимости от его строения.

Преломление света — это изменение направления распространения света при его переходе из одной среды в другую, отличающуюся от первой значением скорости распространения.

На рис. 1 представлен путь луча при прохождении его 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, r — угол преломления (на рисунке i>r, потому что в воздухе скорость распространения световых волн больше, чем в стекле, в данном случае воздух является средой оптически менее плотной, чем стекло).

Преломление света характеризуется относительным показателем преломления — отношением скорости света в среде, из которой свет падает на границу раздела, к скорости света во второй среде. Показатель преломления определяется из соотношения n=sin i/sin r. Относительный показатель преломления не имеет размерности, и для прозрачных сред воздух — стекло всегда больше единицы. Например, относительные показатели преломления (по отношению к воздуху): воды— 1,33, хрустального стекла — 1,6, алмаза — 2,47.

Рис. 6. Схема прохождения луча через плоскопараллельную стеклянную пластину

Рис. 2. Призматический (дисперсионный) спектр а — разложение луча света призмой; б- диапазоны цветов видимой части

Дисперсия света — это зависимость показателя преломления от частоты света (длины волны). Для нормальной дисперсии характерно возрастание показателя преломления с увеличением частоты или с уменьшением длины волны.

Вследствие дисперсии пучок света, проходящий сквозь призму из стекла, образует на экране, установленном за призмой, радужную полосу — призматический (дисперсионный) спектр (рис. 2,а). В спектре цвета расположены в определенной последовательности, начиная от фиолетового и кончая красным (рис. 7,6).

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 наибольшей частотой и наименьшей длиной волны обладают фиолетовые лучи, а наименьшей частотой и наибольшей длиной волны — красные лучи, следовательно, фиолетовые лучи преломляются больше, чем красные.

Показатель преломления и дисперсия зависят от состава стекла, а показатель преломления — и от плотности. Чем выше плотность, тем выше показатель преломления. Оксиды CaO, Sb₂O₃, PbO, BaO, ZnO и щелочные повышают показатель преломления, добавка SiO₂ — снижает. Дисперсия возрастает при введении Sb₂O₃ и PbO. СаО и ВаО 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 PbO значительно увеличивает показатель преломления и дисперсию.

Отражение света — 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. Эффект отражения усиливается при наличии многочисленных полированных поверхностей (алмазная резьба, гранение).

Если неровности поверхности раздела малы по сравнению с длиной волны падающего света, то происходит зеркальное отражение, 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 тел.

Рассеяние света — явление, наблюдаемое при распространении световых волн в среде с беспорядочно распределенными неоднородностями и состоящее в образовании вторичных волн, которые распространяются по всевозможным направлениям.

В обычном прозрачном стекле рассеяния света практически не происходит. Если поверхность стекла неровная (матовое стекло) или в толще стекла равномерно распределены неоднородности (кристаллы, включения), то световые волны не могут пройти через стекло без рассеяния и поэтому такое стекло непрозрачно.

Пропускание и поглощение света объясняется следующим. При прохождении пучка света интенсивностью I₀ через прозрачную среду (вещество) интенсивность первоначального потока ослабляется и выходящий из среды пучок света будет иметь интенсивность I< I₀. 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 снижает общую светопрозрачность стекла, которая для бесцветного натрий-кальций-силикатного стекла составляет примерно 93%. Поглощение света различно для различных длин волн, поэтому окрашенные стекла имеют разный цвет. Цвет стекла (табл. 2), который воспринимается глазом, обусловлен цветом той части падающего пучка света, которая прошла через стекло непоглощенной.

Показатели пропускания (поглощения) в видимой области спектра важны для оценки цвета сортовых, сигнальных и других окрашенных стекол, в инфракрасной области — для технологических процессов варки стекла и формования изделий (теплопрозрачность стекол), в ультрафиолетовой — для эксплуатационных свойств стекол (изделия из увиолевого стекла должны пропускать ультрафиолетовые лучи, а тарные — задерживать).

Двойное лучепреломление — раздвоение луча света при прохождении через оптически анизотропную среду, т. е. 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 — обыкновенный и необыкновенный. Скорости распространения этих лучей различны. Двойное лучепреломление измеряется разностью хода лучей, нм/см.

При неравномерном охлаждении или нагревании стекла в нем возникают внутренние напряжения, вызывающие 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.