Mỗi ngày, chúng ta đều nhìn ra thế giới qua những ô cửa sổ mà không hề suy nghĩ nhiều về nó. Nhưng đã bao giờ bạn tự hỏi, tại sao ánh sáng có thể đi qua tấm kính một cách dễ dàng, trong khi lại bị chặn lại bởi một bức tường? Đây không phải là điều hiển nhiên, mà là một màn trình diễn kỳ diệu của ngành vật lý và quang học.
Cấu trúc trong suốt của vật liệu thủy tinh
Bí mật đầu tiên lý giải vì sao ánh sáng xuyên qua kính nằm ở cấu trúc sắp xếp nguyên tử của nó. Hầu hết các vật rắn, như kim loại hay gỗ, có cấu trúc tinh thể, nghĩa là các nguyên tử được sắp xếp theo một mạng lưới đều đặn, chặt chẽ. Cấu trúc này dễ dàng cản trở hoặc hấp thụ các hạt ánh sáng.
Thủy tinh thì khác. Nó là một vật liệu "vô định hình", có nghĩa là cấu trúc nguyên tử của nó lộn xộn và không theo một trật tự nào, giống như một chất lỏng bị "đóng băng" đột ngột.
Chính sự sắp xếp ngẫu nhiên này tạo ra nhiều khoảng trống cho các hạt ánh sáng (photon) có thể lọt qua mà không bị cản lại.
>>> Xem bài viết này: Vì sao một ly nước dưới ánh nắng có thể tách ánh sáng thành dải cầu vồng?
Các photon ánh sáng không bị nguyên tử kính hấp thụ
Đây là lý do quan trọng nhất và thú vị nhất. Để một nguyên tử có thể "bắt giữ" (hấp thụ) một photon ánh sáng, năng lượng của photon đó phải đủ lớn để đẩy một electron của nguyên tử lên một mức năng lượng cao hơn.
Hãy tưởng tượng các electron trong nguyên tử kính đang đứng trên những bậc thang năng lượng. Để nhảy lên một bậc cao hơn, chúng cần một cú hích với năng lượng "chuẩn không cần chỉnh".
- Các photon của ánh sáng nhìn thấy (với các màu sắc khác nhau) có năng lượng tương đối yếu.
- "Khoảng cách" giữa các bậc thang năng lượng của electron trong thủy tinh lại quá lớn.
Kết quả là, năng lượng của photon ánh sáng nhìn thấy không đủ để "kích" các electron nhảy bậc. Vì không thể hấp thụ, các electron đành "làm ngơ" và để cho các photon ánh sáng đi xuyên qua.
>>> Chi tiết tại: Vì sao chiếc đũa trông như bị gãy khi chúng ta cắm nó vào trong ly nước?
Sự khác biệt giữa vật liệu trong suốt và mờ đục
Dựa trên hai nguyên lý trên, chúng ta có thể dễ dàng phân biệt các loại vật liệu. Sự tương tác của vật liệu với ánh sáng quyết định chúng ta nhìn thấy chúng như thế nào.
| Đặc điểm | Vật liệu trong suốt (Kính) | Vật liệu mờ đục (Gỗ, Tường) |
| Cấu trúc nguyên tử | Vô định hình, lộn xộn. | Tinh thể hoặc phức tạp, có trật tự. |
| Tương tác với Photon | Năng lượng photon không đủ để electron "nhảy bậc". Ánh sáng đi xuyên qua. | Năng lượng photon phù hợp để electron hấp thụ. Ánh sáng bị hấp thụ hoặc phản xạ lại. |
| Hiện tượng quan sát | Nhìn xuyên thấu. Có thể có hiện tượng khúc xạ ánh sáng (hình ảnh bị bẻ cong). | Không nhìn xuyên qua được. Chúng ta thấy màu sắc của vật là do các photon bị phản xạ lại. |
Bạn có thể làm một thí nghiệm kính đơn giản như cắm một chiếc đũa vào cốc nước để thấy rõ hiện tượng khúc xạ ánh sáng này.
Vì sao ánh sáng xuyên qua kính là nhờ sự kết hợp hoàn hảo giữa cấu trúc nguyên tử lộn xộn và một "sự thờ ơ" đầy tính toán của các electron đối với năng lượng của ánh sáng. Lần tới khi nhìn qua ô cửa sổ, hãy nhớ rằng bạn đang chứng kiến một định luật vật lý lượng tử đầy thú vị đang diễn ra.
>>> Khám phá thêm: Ánh sáng và bóng tối: Vì sao ánh sáng lại tạo ra cái bóng của vật thể?
