Neredeyse Tüm Katı Maddeler Matken Cam Nasıl Saydam Olabiliyor?

Günlük hayatımızda karşılaştığımız çoğu katı cisim opak ya da yarı saydamdır. Taş veya ahşap gibi birçok katı madde, ışığı diğer tarafa geçirmez ve arkalarında ne olduğunu göremeyiz. Sıvı maddelerin ise büyük kısmı saydamdır.

Cam ise katı maddeler arasında alışılmışın dışında bir örnektir. Şeffaf yapısı ile ışığı geçebilir ve içindekileri, arkasındakileri görmemizi sağlar. Bu nedenle de cam eşyalar günlük hayatımızın ayrılmaz birer parçasıdır. Peki hiç cam kadar katı ve dayanıklı bir şeyin ışığı nasıl geçirebildiğini merak etmiş miydiniz?

Cam, topraktan yapılmıyor muydu? Toprak saydam değilken cam nasıl saydam olabiliyor?

Cam, toprağın içinde yer alan sülfür dioksitten yapılıyor. Dolayısıyla toprak, bu malzemenin elde edilebilmesi için öncelikle çeşitli işlemlerden geçirilmiş veya bazı kimyasallarla karıştırılmış oluyor. Daha sonra elde edilen ham maddenin yüksek sıcaklıklara maruz kalmasıyla cam oluşuyor.

Her şey Dünya’nın kabuğunda başlıyor. Burada en yaygın olan iki element olan silikon ve oksijen birbirleri ile tepkimeye girerek silikon dioksiti oluşturur.

Silikon dioksite dönüşürken bu moleküller kuvars denilen düzgün bir kristal oluşturacak şekilde kendilerini düzenler. Kumda bulunan taneciklerin çoğu aslında kuvarstır.

Ancak kuma baktığınızda saydam bir şeyle karşılaşmazsınız. Çünkü bu kuvars kristallerinin yapısındaki sert şekilli tanecikler ve küçük bozulmalar, çarpan ışığı hem yansıtır hem de yayarlar. Yani opak özellik gösterebilirler.

Silikon dioksit yüksek derecelerde ısıtıldığında, aynı sıvılar gibi moleküllerin her türlü boşluğu doldurabildiği, sıvının karışık yapısına benzeyen bir katı materyale dönüşür.

Kuvars yüksek derecelerde ısıtıldığında enerji moleküllerini bir arada tutan bağlar kopana kadar titrer ve böylece akıcı bir sıvıya dönüşür. Bir kez sıvı hale gelen silikon dioksit ise tekrar kristale dönüşmez. Moleküller enerji kaybettikçe, düzenli şekilde yani katı formda hareket etme yeteneğini kaybeder ve artık soğumaya başlasa bile şekilsiz katı denilen bir forma dönüşür.

Böylece camın yüzeyi mikroskobik düzeyde tektip hale getirir ve ışığın farklı yönlere yayılmadan çarpmasını sağlar. Ama bu durum neden ışığın birçok katıda olduğu gibi absorbe edilmediğini, bunun yerine camın içinden geçebildiğini açıklamak için yeterli değil.

Camın neden saydam olduğunu anlayabilmek için atom altı düzeye kadar bakmamız gerekiyor.

Atom, etrafında elektronların dolandığı bir çekirdeğe sahiptir. Ancak bu kısmın çoğunluğu boşluklardan oluşmaktadır. Hatta bir atom, stadyum büyüklüğünde olsaydı ortasındaki çekirdeği neredeyse bir bezelye boyutunda, elektronlar ise çok uzaklardaki kum taneleri kadar olurdu. Bu da ışığın o partiküllere çarpmadan geçebilmesi için yeterli boşluk bırakıyor.

Her atomun içi bu kadar boşlukla doluysa asıl sormamız gereken “Cam neden saydam?” değil, “Neden tüm materyaller saydam değil?” olmalı. 

Bu soruya cevap verebilmek için elektronların sahip olabileceği farklı enerji düzeylerine bakmamız gerekiyor. Bunları da stadyumdaki oturma sıraları olarak düşünelim. Bir elektrona başta oturması için bir sıra verilir, ancak belirli bir enerjiye ulaşırsa daha iyi bir sıraya geçebilir.

Daha iyi bir sıraya geçmeyi sağlayan bilet ise bu ışık fotonlarından birini absorbe etmekten geçiyor. Böylece elektron ihtiyaç duyduğu enerjiye ulaşıyor. Ancak bu fotonun tam olarak elektrona gereken miktarda bir enerji sağlaması lazım. Yoksa foton yine sadece geçip gidecektir.

Morötesi ışıktaki fotonlar ise tam da istenilen miktarda enerjiyi verir ve absorbe edilirler, bu yüzden bronzlaşmak istiyorsanız camın arkasında güneşlenemezsiniz.

Hem katı hem de saydam olabilmeyi sağlayan bu muhteşem özellik, camın yüzyıllar boyunca farklı şekillerde kullanılmasını sağlamıştır. Doğanın zorlu şartlarını dışarıda tutup, ışığı içeriye alan pencerelerimizden; evrenin derinliklerindeki gezegenleri ve çok küçük boyutlardaki canlıları görmemizi sağlayan merceklere kadar. 

Tam da bu yüzden modern hayatı cam olmadan hayal etmek neredeyse imkansız.

Kaynak: Webtekno