Gdy budzimy się rankiem, zastajemy codzienną rutynę. Ten sam kolor ścian, łóżka, ubrań, sprzętu RTV i wszystkich innych przedmiotów w naszym domu. Jesteśmy przyzwyczajeni do pewnych niezmiennych faktów, które będą towarzyszyć nam do końca życia. Wiemy, że woda jest prawie przezroczysta, że Słońce oświetla Ziemię, dając jej ciepło i jasność dnia, wiemy, że dana substancja ma przypisany do niej kolor; słowem - są pewne rzeczy niezmienne, które zawsze były i będą. A jednak większość z nas kiedyś zadała (lub dopiero zada) sobie pytanie: "Dlaczego coś ma jakiś określony kolor? Co powoduje, że widzimy otaczający nas świat?" Spróbujmy przyjrzeć się bliżej zagadnieniu, jak materia oddziałuje na fale świetlne i, vice versa, jak światło oddziałuje na każde ciało.

Na początek należy wymienić, jak ciała wpływają na fale elektromagnetyczne. Tak więc:
- światło może być rozpraszane,
- załamywane,
- polaryzowane (i skręcane)
- spowalniane (względnie, ale o tym później),
- rozszczepiane.
(Wiele z tych tematów zostało już poruszonych na poprzednich zajęciach, więc będzie łatwiej do nich wracać).
Wszystkie powyższe punkty zostaną omówione na przykładach.

Zacznijmy od odpowiedzi na pytanie: "Dlaczego tylko niektóre ciała mogą być przezroczyste?" Pomocna będzie tu znajomość analizy spektralnej światła i widma absorpcyjnego. Jak zostało napisane w podr. "Fizyka dla szkół ponadgimnazjalnych" na str. 178, w pierwszym przykładzie, żaden przewodnik nie może być przezroczysty, ponieważ jego elektrony swobodne absorbują fotony, które nań padają. Jak już wcześniej zostało wyjaśnione, każdy elektron potrafi "wchłonąć" foton, który jest pakunkiem energii fali elektromagnetycznej. Elektron, do którego dołączyła energia w postaci przybyłego fotonu zmuszony jest na przeskoczenie na wyższą powłokę, na której obowiązuje dana wartość energii. Atom taki, którego elektron dostał dawkę dodatkowej energii znajduje się w stanie wzbudzonym i czym prędzej "oddaje" nadwyżkę energii w postaci kolejnego fotonu. Ta nadwyżka energii jest właśnie charakterystyczna dla każdego ciała, gdyż określa jego kolor (każdy inny pakunek energii fotonu ma określoną długość i częstotliwość, którą my odbieramy jako barwę; gdyby nasze oczy były inaczej zbudowane, to bylibyśmy zdolni określić "kolor" fal radiowych, czy ultrafioletowych; niestety, nawet nie potrafimy sobie tego wyobrazić, gdyż nasze umysły są nastawione wyłącznie na rozumienie tego, co potrafimy odczuć, jesteśmy "niewidomi" na inne zakresy światła). Idąc dalej tym tropem, potrafimy już powiedzieć, dlaczego np. miedź nie jest przezroczysta. Jest ona przewodnikiem, więc posiada wolne elektrony, które wyłapują fale widzialne. Podobnym przykładem jest złoto, które także pochłania fale widzialne na wszystkich zakresach, a "nadwyżka energii" emitowana przez jej atomy ma właściwości odpowiedzialne za odczuwany przez nas kolor złoty (nie jest to ani żółty, ani jasnobrązowy).

Rozgryźliśmy już problem, dlaczego przewodniki nie są przezroczyste, ale wciąż pozostaje pytanie, dlaczego inne ciała, które nie są przewodnikami, nie są przezroczyste. Np. "dlaczego drewno nie może być przezroczyste, a szkło może?" Kluczem do odpowiedzi jest struktura ciał nieprzezroczystych. Wiemy już po paru latach liceum, że ciała stałe mają w większości nieregularną formę budowy. Cząsteczki drewna są poukładane nieco chaotycznie w porównaniu do np. cząsteczek w strukturze kryształu. To właśnie to słabe uporządkowanie i ściśnięcie cząsteczek w ciele stałym powoduje, że fale świetlne są niemal w całości absorbowane przez to ciało. Fakt faktem, tak po prawdzie tylko cząsteczki znajdujące się przy powierzchni tego ciała absorbują fotony. To one oddziałują ze światłem i przejmują całą energię, nie dając światłu dostępu do wnętrza ciała. Ciecze, gazy oraz ciała stałe o budowie krystalicznej (uporządkowanej) maja możliwość nie tylko odbijania światła, ale i częściowego przepuszczania go przez swoją strukturę. Dlaczego tak jest, chyba łatwo zrozumieć: podczas, gdy ciała o chaotycznie uporządkowanych cząstkach torują drogę każdej fali świetlnej, w cząsteczce kryształu istnieje uporządkowana sekwencja, która pozwala przemieszczać się falom swobodniej. Oczywiście wraz z intensyfikacja światła wzmacnia się "prześwitywanie" przez ciało stałe. Prostym przykładem jest chociażby ludzka dłoń. Nie jest ona przecież przezroczysta i nie przepuszcza światła dziennego, lecz gdy zamkniemy w niej małą lampkę o dużej mocy, nasza skóra zacznie przepuszczać małe ilości światła.

Nawiązując do przykładu z podręcznika na str. 179, gdzie opisane są właściwości rubinu, przepuszcza on przez siebie światło, co czyni go ciałem przezroczystym, lecz jednocześnie absorbuje on wszystkie barwy, prócz czerwonej, emitując ją przy przeskoku elektronu w pobudzonym atomie (rozpraszając odpowiednie długości fal świetlnych).

Kolejnym punktem, który wiąże się z budową krystaliczną, jest możliwość polaryzacji fal świetlnych. Cechą kryształów jest fakt, że światło wylatujące z nich jest spolaryzowane. Dzieje się tak w ciałach, które zbudowane są przez długie cząsteczki, symetryczne do siebie; uporządkowanych w jednej sekwencji, jak to jest w kryształach (nie wszystkich oczywiście, ale do tego wrócimy później).

Nieraz spotkaliśmy się z określeniem "ciekły kryształ". Na pierwszy rzut oka samo w sobie jest to pojęcie absurdalne (no bo jak kryształ może być cieczą?). A jednak istnieje logiczne wytłumaczenie, dlaczego pewnej grupie substancji została nadana ta nazwa. Otóż ciekłe kryształy to ciecze zbudowane z cząsteczek podłużnych, tak gęsto ułożonych, że nie mogą ustawić się wobec siebie inaczej, niż równolegle. Rozróżnia się kilka faz (form) ciekłych kryształów. Wystarczy nam poznanie dwu z nich:
- faza nematyczna -> cząsteczki mają zablokowaną możliwość zmieniania kąta ułożenia jednej ze swoich osi względem innych cząsteczek (cząsteczki są ułożone równolegle); przykładem jest roztwór mydła.
- Faza liotropowa -> poznana już na lekcjach biologii, powstająca w błonach komórkowych, tworzona przez lipidy.

Ciekłe kryształy, jako że potrafią skręcać płaszczyznę polaryzacji fal, są bardzo często stosowane w elektronice (tu: wyświetlacze ciekłokrystaliczne). Bardzo uproszczony schemat ich działania znajduje się na stronie 180 w podręczniku. Światło, które przechodzi przez szklane elektrody wpada do pojemniczka z ciekłym kryształem. Tam, gdzie na CK (ciekły kryształ) działa pole elektromagnetyczne (wytworzone przez elektrony znajdujące się na przeciwległych końcach pojemniczka), cząsteczki ciekłego kryształu są porządkowane równolegle tak, że światło spolaryzowane może przez nie przejść nie zmieniając swego kąta skręcalności. Za pojemniczkiem znajduje się polaryzator (detektor), przez który nie przechodzą fale nieskręcone. Jeżeli jednak światło padnie do pojemniczka w miejscu, gdzie na CK nie działa pole elektromagnetyczne, fala zostaje skręcona o 90 i może ona przejść przez detektor dając obraz po drugiej stronie, na wyświetlaczu.
Na końcu rozdziału siódmego naszego podręcznika autorzy wyrażają nadzieję, że wyświetlacze ciekłokrystaliczne stanowią przyszłość w nowoczesnych wyświetlaczach. Jest to błąd, gdyż od paru lat prowadzone są prace nad nową formą tzw. e-papieru, który ma zrewolucjonizować rynek. Nie ma on nic wspólnego z wyświetlaczami ciekłokrystalicznymi, jest cienki jak papier, da się go wyginać, rolować, miąć, a nic mu się nie stanie. Na rynku pojawiły się już pierwsze prototypy takich wyświetlaczy, lecz są one zbyt drogie, by mógł je mieć każdy przeciętny śmiertelnik.

Inny rodzaj ciał stałych stanowią kryształy dwójłomne, które rozbijają wprowadzany do nich promień świetlny na dwa tory o różnych współczynnikach załamania. Kryształem takim jest kalcyt. W kalcycie światło niespolaryzowane zgodnie z prawem załamania zmienia kierunek padania. Jest to tzw. promień zwyczajny. Wszystko byłoby w porządku, gdyby nie fakt, że miejscu, gdzie promień słoneczny wpada do kryształu i załamuje się, powstaje drugi promień, zwany niezwyczajnym, który nie spełnia prawa załamania. W rzeczywistości oba promienie (zwyczajny i niezwyczajny) są światłem spolaryzowanym prostopadle do siebie (czyli gdy promień zwyczajny jest spolaryzowany w kierunku pionowym, wtedy promień niezwyczajny jest także spolaryzowany, ale poziomo). Promień niezwyczajny jest zazwyczaj częściowo pochłaniany (w zależności od grubości materiału), więc jeżeli kryształ dwójłomny będzie odpowiednio gruby, może pełnić rolę polaryzatora, gdyż wychodzi z niego tylko promień zwyczajny.
Teraz musimy sobie przypomnieć nieco wiadomości o fatamorganie, gdyś proces w jaki ona powstaje będzie bardzo podobny do omawiania kolejnej właściwości ciał i fali świetlnej. Zakrzywienie światła występuje nie tylko przez oddziaływanie bardzo silnej grawitacji, ale i przez rozchodzenie się w ośrodku gazowym, którego gęstość i temperatura sukcesywnie maleje (bądź rośnie), jak to się ma w naszej Ziemskiej atmosferze. Przez fakt zakrzywienia promieni słonecznych obiekt świecący na niebie może być widoczny na wysokości innej, niż znajduje się w rzeczywistości (np. Słońce o zachodzie). Logiczne jest, że im gęstość powietrza jest mniejsza, tym bardziej wartość współczynnika załamania dla atmosfery jest bliższa 1. Jak wiadomo, im wyżej, tym powietrze jest rzadsze, więc czym bliżej Ziemi, tym współczynnik załamania będzie coraz bardziej różny od 1 i światło będzie się coraz mocniej załamywać. Dlatego właśnie droga promieni od Słońca, które znajduję się już za horyzontem jest nieco wydłużona i Słońce jest dla nas widoczne nawet po jego faktycznym "zajściu".
W końcu dochodzimy do zjawiska rozszczepienia światła białego. Jest to proces, w którym światło białe, jako wiązka fal o różnych długościach podczas padania na pryzmat, czyli ciało przezroczyste, którego przeciwległe ściany nie są równoległe do siebie rozszczepia się na fale o różnych długościach od 380 mikrometrów (światło fioletowe) do 780 mikrometrów (światło czerwone). Światło rozszczepia się dlatego, bo składające się na niego fale mają różne kąty załamania przy przechodzeniu z jednego ośrodka w drugi. Pryzmat omawiamy teraz na lekcjach, więc nie ma potrzeby rozwijania teraz tego tematu.

Jeżeli chodzi o spowalnianie światła, jest to tylko ciekawostką, ale i tak warto o tym wspomnieć. Na koniec przedstawiam fragment artykułu z "New Scientist" dotyczący właśnie procesu spowalniania światła:
"Amerykańscy naukowcy pokazali, że światło może zostać spowolnione do prędkości nieco ponad 200 km/h w temperaturze pokojowej przy użyciu urządzenia wielkości zwykłego komputera biurkowego. Badacze z nowojorskiego Uniwersytetu Rochester uważają, że to odkrycie może wykorzystać branża telekomunikacyjna.
W próżni światło podróżuje z prędkością 300 tys. km/h. Przy przechodzeniu przez szkło zwalnia o jedną trzecią, jednak zwolnienie strumienia fotonów do 200 km/h, czyli aż 5,4 mln razy - do tej pory było możliwe tylko w komorach kriogenicznych i z użyciem kosztownego sprzętu laboratoryjnego.
Amerykanie opracowali niewielkie urządzenie, które pozwala na uzyskanie takiego rezultatu w warunkach pokojowych. Zasada jego działania jest następująca: dwa lasery wystrzeliwują strumienie światła o różnych częstotliwościach w kryształ rubinu. Różnica częstotliwości powoduje rytmiczną wibrację atomów kryształu, co z kolei zmienia współczynnik załamania materiału. Współczynnik załamania materiału, regulowany częstotliwością laserów, determinuje prędkość światła. Ten efekt jest znany od dawna, jednak wcześniej nie używano go do podobnych celów.
Odkrycie może mieć kapitalne znaczenie dla branży telekomunikacyjnej, pozwalając łatwiej kontrolować opóźnienie przepływu informacji w światłowodach."

Bibliografia:
- M. Fijakowska, K. Fijakowski, B Saganowska: "Fizyka dla szkół ponadgimnazjalnych" ZamKor, 2003r.
- P.Walczak, G.F. Wojewoda: "Fizyka i astronomia 3, zakres podstawowy", Operon, 2003r.
- R. P. Feynman: "Feynmana wykłady z fizyki. Sześć łatwych kawałków", Prószyński i S-ka, 1998r.
- Wikipedia, wolna encyklopedia internetowa - pl.wikipedia.org
- Źródło artykułu: "New Scientist", Wtorek, 08 kwiecień 2003