Факты и мифы о стекле, которые не всем известны

Верните человека в его природное состояние — сбросьте с него несколько тысяч лет культуры и изобретений, а также то, что в наши дни считается цивилизованным поведением. Мы превратимся в племя охотников и собирателей, принципиально не отличающихся от кротов, сурикатов и каких-нибудь трубкозубов. Но стоит наступить дождливому воскресному вечеру, и мы пожелаем оказаться дома, сидя за мокрыми окнами с хорошей книгой или черно-белым фильмом. Мы можем лежать, уютно свернувшись калачиком, но, благодаря гениально встроенным в наш дом стеклянным панелям, одновременно быть не дома.

Удивительное стекло

Металлы и пластмассы — скучные материалы, которые мы используем в повседневной жизни тысячей способов. Стекло же необычно и интригующе. Мы его не видим, но оно существует! Этот удивительный прозрачный материал относится к числу самых старых. Еще 5000 лет назад его использовали в Месопотамии, но для создания блестящих цветных шариков или бисера, которые походили на ювелирные изделия, а не для устройства больших вертикальных поверхностей из ничего. Стеклянные окна впервые появились в Древнем Риме.

Вы можете решить, что на этом история стекла и заканчивается: что еще можно сказать о том, чего мы не видим? Но люди совершенствуют стекло по сей день. Что скажете о стеклах, которые моют себя сами, освещают или затемняют жилище при одном щелчке выключателя? А как насчет суперпрочного стекла на экранах смартфонов и планшетов? Не так давно люди боялись взять в руки стеклянную вещь. Сегодня мы об этом даже не задумываемся. Стекло — настоящее чудо. И всё благодаря законам физики.

Сваренный песчаный пляж

Вот простой рецепт получения стекла. Идите на пляж с ведром и совком и насыпьте в ведро немного песка. Разведите большой костер. Бросьте в него песок, доведите до жидкого состояния и быстро охладите. И тут — вжух! — получится стекло.

Есть рецепт посложнее. Когда Роберт Оппенгеймер и его коллеги испытали первую атомную бомбу в пустыне Нью-Мексико, круг песка диаметром почти в километр превратился в радиоактивное зеленое стекло.

Правда ли, что стекло — жидкость?

Если вы растопите лед, превратите его в воду, а потом заморозите ее, то получите примерно то же, с чего начали. С песком всё иначе. Расплавленный песок можно разливать, как жидкость. Но когда стекло остынет, атомы не займут в нем упорядоченного положения, которое свойственно твердому веществу. Внутри стекла создается случайная структура, нечто среднее между хаосом и упорядоченностью твердого вещества. Такое состояние называется аморфным, или полутвердым, а также состоянием замерзшей жидкости.

В детских научных книжках часто можно прочесть, что у старых окон низ толще, чем верх, потому что стекло медленно «стекает» вниз. Доказано, что это неправда. Ученые считают, что причиной заблуждения стал традиционный метод изготовления стекла (так называемого кронгласа): толстое стекло раскатывали в большие круги, резали по размеру, а затем вставляли в оконные рамы. Оно часто было неравномерной толщины, и обычно его помещали в раму толстым концом вниз.

Почему стекло такое тяжелое?

Причины этого явления отчасти физические, но в значительно большей степени психологические. Стекло, хотя бы в каком-то смысле, — твердое тело. Объем листа стекла размером 2 × 3 м и толщиной 2 см составляет 120 л. Легко представить себе, сколько будут весить 120 литровых бутылок с водой. Стекло же — твердое вещество, а не жидкость. При равном объеме вес листового стекла — где-то посередине между льдом и металлом. Например, наш лист стекла должен иметь массу около 300 кг.

Поскольку оно прозрачно и не похоже ни на что на Земле, мы воспринимаем его как нечто несуществующее. И нам кажется, что стекло должно быть легким. Но чем бы мы себе его ни представляли — жидкостью, твердым телом или чем-то между, — оно состоит из огромного множества атомов. Мы их не видим, но они есть. И тут возникает самый важный вопрос из возможных.

Бывает ли пуленепробиваемое стекло?

«Пуленепробиваемое стекло» — терминологическая нелепица. Такого материала не существует. То, что подается под таким названием, не является ни «пуленепробиваемым», ни «стеклом». Этот материал можно назвать «пулесопротивляющимся».

Изготавливается он из нескольких слоев стекла и пластмасс наподобие пленки. Если выстрелить в него, энергия пули рассеется по слоям. Появятся трещины, но пленка предупредит распадание на куски и поглотит бóльшую часть энергии летящего тела. Если даже пуля пробьет такой материал насквозь, ее скорость и кинетическая энергия значительно уменьшатся.

Почему стекло прозрачное?

Все дело в его внутренней атомарной структуре. В стекле все электроны полностью связывают его аморфную структуру, свободных электронов нет. Для их возбуждения нужна значительная энергия. Они не могут поглощать фотоны видимого света, как металлы. Поэтому эти фотоны свободно «пронзают» структуру стекла. Атомы последнего даже не «замечают» их, не взаимодействуют с ними. Если мы используем ультрафиолетовый свет, фотоны которого обладают большей энергией по сравнению с видимой частью спектра, то их стекло поглощает. Именно поэтому под ультрафиолетовым освещением оно выглядит непрозрачным и темным.