ТЕХНОЛОГИЯ СТРОИТЕЛЬНОГО И ТЕХНИЧЕСКОГО СТЕКЛА И ШЛАКОСИТАЛЛОВ

ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Большая часть стекол пропускает свет и другие виды лучистой энергии. Прозрачность стекла определяет важнейшие области его применения в народном хозяй­стве, технике и быту.

С прозрачностью стекла связаны его оптические свойства — отражение, преломление, рассеивание, раз­ложение света (дисперсия), избирательное поглощение и двупреломление.

Преломление и дисперсия света. Луч света, который переходит из среды А с одной плотностью в среду В с другой плотностью, на границе между ними меняет свое направление (рис. 3.2), так как скорости распростране­ния света в средах А и B(va и Vb) обратно пропорцио­нальны их плотности рА и рв:

(vA /vB) = (pB/pA) = (sina/sin6),

Где а — угол падения лучей; (3 — угол преломления лучей.

Если а — пустота, то (sin a/sin р) =п, где п — пока­затель преломления среды В. Поскольку угол а больше угла р, показатель преломления всех прозрачных тел больше единицы.

Величина п прямо пропорциональна плотности проз­рачной среды. Так как плотность стекол тем выше, чем больше молекулярная масса входящих в их состав окси­дов, то самый высокий показатель преломления будет у стекол, содержащих тяжелые элементы, а самый низ­кий — у стекол из легких оксидов. Показатели прелом­ления некоторых стекол см. табл. 3.2.

Показатель преломления стекла подобно плотности зависит от скорости его охлаждения. Показатель пре­ломления быстро охлажденных стекол, как и плотность, ниже, чем медленно охлажденных стекол того же хими­ческого состава, причем разница может составлять до 0,004—0,005.

Показатель преломления данной прозрачной среды тем меньше, чем больше длина волны падающего света. Обычно для характеристики среды принимают ее пока­затель преломления лучей определенной длины волны; это чаще всего nD желтых лучей с А,=589-10-9 м (ли­ния Д спектра паров натрия). Так как лучи с разной длиной волны преломляются по-разному, то пучок бело­го света, проходя через стеклянную призму, разлагает­ся на составляющие его цветные лучи разной длины волны (рис. 3.3). Это разложение называется диспер­сией.

Дисперсия измеряется разностью показателей преломления дан­ной среды ДЛЯ ДЛИННЫХ И коротких ВОЛН, например (nF—/2с), где Яр— показатель преломления лучей с Xf=486,1 • Ю-9 м (голубая линия спектра водорода), а пс—показатель преломления лучей с Хс = = 656,3-Ю-9 м (оранжевая линия этого спектра). Разность (пР—пк) называют средней дисперсией.

Дисперсия зависит от состава стекла; она возрастает при уве­личении содержания тяжелых оксидов (РЬО) и трехокиси сурьмы. СаО и ВаО увеличивают nD гораздо больше, чем дисперсию, а Р2О5 повышает nD, но сильно снижает (nF—пс).

Показатели преломления стекла измеряют чаще всего с помо­щью рефрактометров с точностью ±0,00001 при условии, что образ­цы стекла достаточно однородны и хорошо отполированы. Более простым и быстрым, ио менее точным (±0,001) является иммерсион­ный метод, при котором образец стекла поочередно погружают в смеси жидкостей с различными, известными показателями прелом­ления. Образец, рассматриваемый в микроскоп, становится невиди­мым, когда его показатель преломления равен показателю прелом­ления смеси.

Показатели преломления и средней дисперсии стекла рассчитывают по способу аддитивности с точностью до 0,01. Более точен (до единицы третьего десятичного знака) метод расчета J1. И. Демкиной:

Pi, р2 , , Рп

М _ - Jj____________ £2____________________

Т ~~ Pi ра рп

Si S2 Sn

Где Мот — средний показатель преломления п или средняя диспер­сия (tlF—пс) стекла; Рь Р2,..., Рп — содержание отдельных оксидов в стекле, % по массе; т, т2,...,тп — парциальные значения показа­телей преломления или средних дисперсий отдельных оксидов;

Показатели преломления и дисперсии характерны для стекла того или иного состава и позволяют поэтому судить о его однородности, контролировать постоянство его состава, а также выявлять и устранять некоторые нарушения технологии стекла.

Двойное преломление лучей. Стекло, свободное от механических напряжений, изотропно. Однако если пу­тем сильного механического воздействия или резкого температурного толчка создать в стекле напряжения, то оно становится двупреломляющим наподобие прозрач­ных кристаллов—кварца, гипса, слюды и др. При ис­чезновении напряжений двупреломление также исчезает.

Пусть на стеклянную пластинку действуют неодина­ковые растягивающие усилия {рх<ру), причем их на­правления взаимно перпендикулярны. До приложения усилий скорость света была одинаковой в любых на­правлениях пластинки. После механического воздейст­вия скорость света в направлении большего растягива­ющего усилия становится больше, чем в направлении меньшего усилия: vy~>vx (если бы напряжения были сжимающими, то произошло бы обратное: скорость све­та в направлении наибольшего усилия была бы наи­меньшей).

Таким образом, луч света, входящий в пластинку с напряжениями, как бы делится на два луча, обладаю­щие различными скоростями: обыкновенный и необык­новенный. Это явление называется поляризацией света.

Проходя в стекле путь длиной /, м, лучи приобретают разность хода А, пропорциональную расстоянию I и разности скоростей vy—vx. Разность хода равна:

А = kyl (vy — vx), где ky — коэффициент пропорциональности.

Если приближенно принять, что разность скоростей пропорциональна разности напряжений:

СVy — Vx) = k2 (Ру — Рх) , ТО А = kihl (іVy — Рх) = kl (Ру — Рх),

Где k—kkt — оптическая постоянная напряжений, в среднем состав­ляющая (2,4—2,8) • 10~6- 1/МПа.

Из последнего уравнения получаем ру—px=A/kl, т. е. по разности хода лучей в двупреломляющих стек­лах можно вычислить напряжения.

Отражение света. Отношение количества света /0> отраженного от поверхности стекла, к количеству света I, падающего на его поверхность, называется коэффи­циентом отражения. Коэффициент отражения R прямо пропорционален углу падения света на стекло. Для пуч­ка, падающего перпендикулярно поверхности стекла, R может быть выражен через показатель преломления стекла п:

(я + 1)2 '

Коэффициент отражения R возрастает с увеличени­ем показателя преломления Пв так, для стекла с rtD= = 1,53 он составляет 0,043, а для стекла с nD= 1,65 (свинцовый хрусталь)—0,061. Поэтому изделия, кото­рые должны иметь красивую игру света в гранях, де­лают из стекла с высоким показателем преломления.

Если световой поток проходит последовательно через т поверх­ностей стекла, то отражение происходит на каждой поверхности и, в конце концов, через стекло пройдет количество света

*1 = (1-Яі)(1-Я*)(1-Яз) ••• (1-ЯпО.

Где 1 — общее количество света, падающего на стекло, a Ru R-г, R3,-, Rm — коэффициенты отражения от соответствующих поверхно­стей.

Для светового пучка, перпендикулярного поверхно­сти стекла простого состава (например, оконного), ко­эффициент отражения от одной поверхности равен 0,04 (4 %). Тогда количество света, прошедшее через стек­лянную пластинку, ограниченную двумя поверхностями, составит: х2= (1—0,04) (1—0,04) =0,92, откуда 1—х2= = 0,08 (8 %).

В сложных оптических системах (например, микроскопах, теле­скопах), состоящих из ряда линз и призм, потеря отражением мо­жет составить до 75—80 % падающего света; в этом случае изобра­жение будет темным. Для увеличения светосилы акад. И. В. Гребен­щиков с сотрудниками разработали способ, называемый просветле­нием оптики. При этом способе на поверхность стекла наносится тончайшая пленка фторидов или кремнекислота, показатель прелом­ления которых п равен п стекла. Толщина пленки должна со­ставлять 0,25 длины волны падающего излучения. Такая пленка в 7—10 раз уменьшает коэффициент отражения и увеличивает коли­чество света, пропущенного стеклом. Если, наоборот, коэффициент отражения нужно увеличить, на стекло наносят пленку с более вы­соким показателем преломления, что используется при производстве полупрозрачных зеркал, оптических систем и в декоративных целях.

Рассеивание света. Если свет падает на стекло, име­ющее шероховатую поверхность или содержащее в мас­се много мелких инородных включений, он многократно отражается в разных направлениях и выходит из стекла в виде рассеянного пучка. Стекло будет выглядеть как бы матовым, полупрозрачным, оно мягче и равномернее распределит пропущенный свет, чем прозрачное стекло. Из такого светорассеивающего стекла изготовляют све­тотехнические изделия (абажуры, колпаки, плафоны и т. п.). Свет, который они пропускают, не ослепляет, так как источник его (нить накала электроламп) не ви­ден через рассеивающее стекло.

Поглощение света. Вместо расчетных 92 % падаю­щего света стеклянные пластинки, по данным измере­ний, фактически пропускают гораздо меньше. Самые прозрачные оптические стекла пропускают в расчете на 1 см их толщины немного более 91 %, а обычные про­мышленные стекла—85—90,8 %. Отсюда следует, что' часть падающего светового потока поглощается стеклом. Отношение количества света, пропущенного стек­лом, /пр к падающему световому потоку / называется коэффициентом светопропускания стекла Т.

Светопропускание стекла измеряется фотометром или спектрофотометром. Для расчетов вместо значения Т часто пользуются значением так называемой оптиче­ской плотности стекла D:

D = 1g(l/T) = - lgr.

Пониженное пропускание света стеклом обусловлено присутствием в его составе красителей, вызывающих избирательное поглощение — поглощение лучей опреде­ленной длины волны. Оптическая плотность стекла как раз и характеризует интенсивность его избирательного поглощения; она пропорциональна удельному поглоще­нию света а, свойственному данному красителю, кон­центрации красителя в стекле с и толщине стекла d. Оп­тическая плотность стекла D — acd, а коэффициент све - топропускания T=eracd (е — основание натуральных логарифмов).

Вследствие избирательного поглощения света стек­лами они пропускают лучи определенных длин волн и поэтому имеют тот или иной цветовой оттенок или ок­раску. Поглощение света в так называемом бесцветном, а в действительности слабо окрашенном стекле вызвано присутствием в нем соединений железа, вносимых сырьевыми материалами. В стекле могут присутство­вать соединения двухвалентного (закисного) Fe2+ и трехвалентного (окисного) железа Fe3+. Интенсивность поглощения света в разных областях спектра зависит от валентности соединений железа и от их содержания в стекле. Удельное поглощение света двухвалентного железа Fe2+ в области видимых лучей спектра в 10 раз больше трехвалентного Fe3+. Fe2+ поглощает главным образом лучи с длиной волны примерно 600-Ю-9 м (желтые и красные) и окрашивает стекла в голубова­тый цвет. Трехвалентное- железо в наибольшей степени поглощает лучи длиной волны 500- Ю-9 м (синие и фио­летовые), желтые и красные лучи оно пропускает, ок­рашивая стекло в желтоватый цвет. В стекле всегда одновременно содержится двух - и трехвалентное желе­зо: вместе они придают стеклу зеленоватую окраску, интенсивность которой зависит от общего содержания в нем оксидов железа.

Отсюда следует, что для получения стекол с высо­ким светопропусканием необходимо до предела снизить в них содержание железа и, кроме того, остаток железа в стекле должен быть, по возможности, трехвалентным.

Для ряда изделий (светотехнических, художествен­ного стекла и др.) зеленоватая окраска, даже слабая, нежелательна. Для таких изделий стекло обесцвечивают. Различают обесцвечивание химическое и физическое. Содержание закисного и окисного железа в стекле (в пересчете на ИеО+РегОз) не должно превышать при химическом обесцвечивании 0,06 %, при физическом — 0,08 %.

Химическое обесцвечивание сводится к тому, чтобы по возможности перевести все железо в стекле в трех­валентную форму. Химически обесцвеченное стекло слегка окрашено в желтовато-зеленоватый цвет, но об­ладает высоким светопропусканием.

Физическое обесцвечивание заключается в том, что в состав стекла вводят красители, которые окрашивают его в цвет, дополнительный к окраске соединениями же­леза. В результате такого окрашивания (т. е. двойного поглощения света) стекло приобретает нейтральный, серый оттенок, но светопропускание его понижается. Из этого следует, что понятия «светопрозрачное» и «обесцвеченное» стекло следует различать.

Помимо лучей видимой области спектра стекло способно пропу­скать или поглощать невидимые лучи (инфракрасные, ультрафиоле­товые, рентгеновские, у-лучи и др.). С развитием науки и техники изготовление стекла, пропускающего или поглощающего те или иные лучн, приобретает возрастающее значение. Пропускание стеклом лу­чей инфракрасной области спектра заметно влияет на глубину его прогревания при высоких температурах. Чем меньше их пропускает­ся, тем меньше теплоты проникает в стекломассу и тем ниже тем­пература ее глубинных слоев.

Цвет стекла может изменяться при воздействии на него излуче­ний, например, солнечного света. Голубоватое стекло, содержащее закисное железо, на солнце желтеет; бесцветное стекло, содержащее соединения марганца, приобретает сиреневую окраску. Это явление, названное соляризацией, состоит в том, что под влиянием энергии ультрафиолетовых излучений в стеклах, содержащих оксиды марган­ца и железа, марганец окисляется за счет оксида железа.

Мп2+ + квант энергии = Мп3+ + е~ (розовый);

Fe3+ - f - е~ = Fe2+ (голубой).

Аналогичный эффект используют для получения так называемых фотохромиых стекол; в них окраска появляется только во время действия излучения, а потом пропадает. Такие стекла применяют для защиты от солнца зданий и транспорта, для поддержания по­стоянной освещенности помещений и т. п.

Действие проникающих радиации (у-лучей, нейтронов и в мень­шей степени а - и р-частиц) на стекло приводит к его окрашиванию в массе, так как прн этом изменяется структура стекла и образу­ются группы ионов — «цветовые центры», обусловливающие избира­тельное поглощение лучистой энергии. Стекло окрашивается тем сильнее, чем интенсивнее и дольше его облучали. Окрашивание стек­ла под действием соляризации и проникающих радиаций может быть уничтожено нагреванием его до температур, близких к температуре размягчения.

Многие стекла под действием коротковолновых радиаций, напри­мер ультрафиолетовых и рентгеновских, способы светиться — люми - иесцировать: полученная нми энергия перерабатывается в энергию световую. Для этого стекла должны содержать в своем составе так называемые «активаторы» люминесценции. Это некоторые элементы переменной валентности: Мп (дает зеленое или красное свечение),

Се (голубое свечение), U (интенсивное желто-зеленое свечение) и др. Люминесценция используется для распознавания различных сортов стекол, а также для технологических и структурных исследований.