Why is glass transparent? - Mark Miodownik

مارک میودونیک - چرا شیشه شفاف است؟

Translator: Farnaz Saghafi Reviewer: soheila Jafari

Take a look out your window,

نگاهی به بیرون از پنجره بیندازید،

put on your glasses if you wear them.

اگر عینکی هستید، آنرا به چشمانتان بزنید،

You might want to grab a pair of binoculars, too,

شاید بخواهید یک دوربین شکاری هم بردارید،

or a magnifying lens.

یا لنزهای بزرگ نمایی.

Now, what do you see?

حالا، چه می بینید؟

Well, whatever it is,

خُب، هر آنچه که هست،

it's not the multiple layers of glass

تعدادی شیشه درست مقابل چشمان شما نیست.

right in front of you.

تعدادی شیشه درست مقابل چشمان شما نیست.

But have you ever wondered

اما تا بحال فکر کردید

how something so solid can be so invisible?

چطور چیزی به این محکمی می تونه اینقدر نامحسوس باشد.

To understand that,

برای درک این موضوع،

we have to understand what glass actually is,

باید بدانیم که شیشه براستی چیست،

and where it comes from.

و از کجا آمده.

It all begins in the Earth's crust,

ماجرا از پوسته زمین شروع می شه،

where the two most common elements are

جایی که سیلیکون و اکسیژن از معمول ترین

silicon and oxygen.

عناصر آن هستند.

These react together to form silicon dioxide,

از واکنش این دو عنصر با یکدیگر، دی اکسید سیلیکون تشکیل می شود،

whose molecules arrange themselves

که مولکولهایش بشکل کریستال منظمی در کنار هم قرار گرفته

into a regular crystalline form known as quartz.

که همانا کوارتز است.

Quartz is commonly found in sand,

کوارتز معمولا" در ماسه یافت می شود،

where it often makes up most of the grains

که اغلب، بیشتر حجم دانه های ماسه را تشکیل می دهد،

and is the main ingredient in most type of glass.

و ماده اصلی اکثر انواع شیشه است.

Of course, you probably noticed that glass

البته، احتمالا" متوجه شدید که شیشه

isn't made of multiple tiny bits of quartz,

از اجزاء کوچک کوارتز تشکیل نشده،

and for good reason.

و دلیلی برای این موضوع است.

For one thing, the edges of the rigidly formed grains

از یک طرف، لبه های دانه های ماسه که شکلی سخت دارند،

and smaller defects within the crystal structure

و ناصافیهای کوچک درون ساختار کریستال

reflect and disperse light that hits them.

نوری که به آنها تابیده می شود را منعکس و پخش می کند.

But when the quartz is heated high enough

ولی وقتی کوارتز تحت گرمای زیاد قرار می گیرد

the extra energy makes the molecules vibrate

انرژی مازاد باعث حرکت مولکولها شده

until they break the bonds holding them together

تا جائیکه پیوند بین آنها شکسته

and become a flowing liquid,

و به مایع روانی تبدیل می شود،

the same way that ice melts into water.

همان شکلی که یخ ذوب شده به آب تبدیل می شود.

Unlike water, though, liquid silicon dioxide

هر چند بر خلاف آب، دی اکسید سیلیکون مایع

does not reform into a crystal solid when it cools.

بر اثر خنک شدن، به کریستال سخت بر نمی گردد.

Instead, as the molecules lose energy,

در عوض، مولکولها با از دست دادن انرژی،

they are less and less able

کمتر و کمتر

to move into an ordered position,

توانایی حرکت به سمت نقاط منظم را دارند،

and the result is what is called an amorphous solid.

و نتیجه آن چیزی است که ما آنرا ماده جامد غیر شفاف می نامیم.

A solid material with the chaotic structure of a liquid,

یک ماده سخت با ساختار بی نظم یک مایع

which allows the molecules to freely fill in any gaps.

که باعث می شه مولکولها براحتی در هر فضای خالی جای بگیرند.

This makes the surface of glass uniform

این کار در حد میکروسکوپی،

on a microscopic level,

سطح شیشه را یکپارچه می کند،

allowing light to strike it

و به نور اجازه برخورد می دهد

without being scattered in different directions.

بدون آنکه به جهات مختلف پراکنده شود.

But this still doesn't explain

اما این موضوع هنوز دلیل توانایی

why light is able to pass through glass

عبور نور از شیشه را بیان نمی کند

rather than being absorbed as with most solids.

بر عکس آنکه در بیشتر اجسام جامد جذب می شود.

For that, we need to go all the way down

برای اینکار، لازمه مسیر زیادی را

to the subatomic level.

به سطح زیرین اتم طی کنیم.

You may know that an atom consists of a nucleus

احتمالا" می دانید که اتم از یک هسته تشکیل شده

with electrons orbiting around it,

که الکترونها به دور آن می چرخند،

but you may be surprised to know

اما ممکن است تعجب کنید که

that it's mostly empty space.

بیشتر فضای آن خالی است.

In fact, if an atom were the size of a sports stadium,

در حقیقت، اگر اتم به اندازه یک استادیوم ورزشی باشد،

the nucleus would be like a single pea in the center,

هسته به اندازۀ یک نخود سبز در وسط آن است،

while the electrons would be like grains of sand

در حالیکه الکترونها مثل ذرات ماسه در خارج از

in the outer seats.

فضای ردیف صندلیها هستند.

That should leave plenty of space

این حتما" کلی فضا برای

for light to pass through

عبور نور ایجاد می کند

without hitting any of these particles.

بدون آنکه به یکی از این ذرات برخورد کند.

So the real question is not

بنابراین سوال اصلی این نیست

why is glass transparent,

که چرا شیشه شفاف است،

but why aren't all materials transparent?

بلکه چرا همه اجسام شفاف نیستند؟

The answer has to do with the different energy levels

جواب به سطوح مختلف انرژی که الکترونها در یک اتم دارند مربوط می شود.

that electrons in an atom can have.

جواب به سطوح مختلف انرژی که الکترونها در یک اتم دارند مربوط می شود.

Think of these as different rows of seats

آنرا مثل ردیفهای مختلف صندلی در یک استادیم ورزشی

in the stadium stands.

در نظر بگیرید.

An electron is initially assigned to sit in a certain row,

در ابتدا اینطور تعیین شده که یک الکترون در یک ردیف مشخص بنشیند،

but it could jump to a better row,

اما می تواند به ردیف بهتری تغییر مکان دهد،

if it only had the energy.

اگر انرژی لازم را داشته باشد.

As luck would have it,

اگر شانس باهاش یاری کنه،

absorbing one of those light photons

جذب یکی از این فوتونهای نور

passing through the atom can provide

که از اتم می گذرند، می تواند

just the energy the electron needs.

همان انرژی لازم را برای الکترون فراهم کند.

But there's a catch.

اما نکته ای در اینجاست.

The energy from the photon

انرژی حاصله از فوتون

has to be the right amount

می بایست درست به میزان لازم باشد

to get an electron to the next row.

تا الکترون را به ردیف بعدی ببرد.

Otherwise, it will just let the photon pass by,

وگرنه، فقط باعث عبور فوتون شده،

and it just so happens that in glass,

وخیلی پیش می یاد که در شیشه،

the rows are so far apart

ردیفها با فاصله های بسیار زیادی از هم قرار گرفتند،

that a photon of visible light

و فوتون صاتع شده از نور قابل روئیت

can't provide enough energy for an electron

قادر نیست انرژی لازم را برای الکترون

to jump between them.

جهت حرکت بین ردیفها فراهم کند.

Photons from ultraviolet light, on the other hand,

از طرفی دیگر، فوتون های اشعه ماورای بنفش،

give just the right amount of energy,

درست اندازۀ لازم انرژی را تولید کرده،

and are absorbed,

و جذب می شوند،

which is why you can't get a suntan through glass.

و به همین دلیل شما نمی توانید در پشت شیشه، حمام آفتاب بگیرید.

This amazing property of being both

این قابلیت فوق العاده

solid and transparent has given glass many uses

همزمان هم جامد و هم شفاف بودن، کاربردهای بسیاری از شیشه

throughout the centuries.

در طول قرنها درست کرده است.

From windows that let in light

از پنجره گرفته که نور را عبور داده

while keeping out the elements,

ولی عناصر را در بیرون نگه می دارد،

to lenses that allow us to see both

تا لنزهایی که به ما این امکان را می دهند تا هم

the vast worlds beyond our planet,

جهان های پهناور ورای زمین خود را مشاهده کنیم،

and the tiny ones right around us.

و هم چیزهای بسیار ریز درست در اطرافمان را ببینیم.

It is hard to imagine

تصور تمدن امروزی

modern civilization without glass.

بدون وجود شیشه دشوار است.

And yet for such an important material

و با این وجود در مورد ماده ای با این اهمیت

we rarely think about glass and its impact.

بندرت دربارۀ شیشه و تاثیر آن می اندیشیم.

It is precisely because the most important

دقیقا" به این دلیله که مهمترین

and useful quality of glass is

و کاربردی ترین قابلیت شیشه

being featureless and invisible

بدون ویژگی بارز و نامحسوس است

that we often forget that it's even there.

که غالبا" حتی وجود آنرا هم فراموش می کنیم.