Cam Neden Saydam da Kum Değil? Berrak Camın Fiziği

Cam, fırında ısıtılan kum, soda ve kireçtaşı olarak başlar. Kum taneli ve opaktır; bir pencere ise o kadar berraktır ki kuşlar bazen ona çarpar. Aynı madde nasıl ikisi birden olabilir? Cevap iki ayrı fikirden geliyor: Işığın soğurulması için ne gerektiği ve ışığı neyin saçtığı.

Cam neyden yapılır?

Pencerelerde ve şişelerde kullanılan gündelik camın çoğu soda-kireç camıdır. Yaklaşık %70–74’ü silikadır (kumun ana bileşeni olan silisyum dioksit); erime sıcaklığını düşürmek için soda (sodyum oksit), dayanıklılığı artırmak için kireç (kalsiyum oksit) eklenir.

Bu karışım eritilip hızla soğutulduğunda atomlar düzenli bir kristal oluşturacak zamanı bulamaz. Rastgele bir ağ hâlinde yerlerinde donarlar. Böyle bir maddeye amorf katı denir.

Birinci neden: Görünür ışık soğurulmaya yetmeyecek kadar zayıf

Işık, foton denen enerji paketleri hâlinde yol alır. Bir madde, foton elektronlarından birini daha yüksek bir enerji düzeyine çıkaracak tam miktarda enerjiye sahip olduğunda ışığı soğurur.

Metallerde elektronlar neredeyse her miktarda enerjiyi soğurabilir; bu yüzden metaller görünür ışığı soğurup yansıtır, opak ve parlaktır. Silika camında ise elektronlar kimyasal bağlarda sıkıca tutulur. Onları uyarmak için bir fotonun yaklaşık 9 elektronvolt enerjiye sahip olması gerekir. Görünür ışığın fotonları ise yalnızca 1,6–3,3 elektronvolt taşır.

Görünür fotonlar bu yüzden elektronlar tarafından soğurulamaz; yalnızca geçip giderler. Işık camın içinde biraz yavaşlar; camın ışığı bükmesinin ve merceklerin çalışmasının nedeni budur.

İkinci neden: Işığı saçacak sınır yok

Silika saydamsa kum neden değil? Kum, çoğu kristal kuvars olan sayısız minik taneden oluşur. Işık havadan bir taneye girip çıktığı her seferde bükülür ve bir kısmı yansır. Rastgele yönlerde binlerce böyle karşılaşmadan sonra ışık her yere saçılır. Kumun, şekerin, tuzun, karın ve kırık camın her tanesi berrak olsa da hepsinin beyaz ya da soluk görünmesinin nedeni budur.

Bütün bir cam parçasında ise ne taneler ne de iç sınırlar vardır. Işık bir yüzeyden girer, aradaki saçılma çok az olarak diğer yüzeyden çıkar.

Buzlu cam bu etkiyi bilerek kullanır: Yüzeyi pürüzlendirmek ışığı saçan çok sayıda minik yüzey oluşturur; böylece cam ışığı geçirir ama arkasındakini gizler.

Cam her ışığa karşı saydam değildir

Cam görünür ışığa karşı saydamdır, ama her şeye değil.

• Morötesi: Sıradan pencere camı güneş yanığının ana nedeni olan UVB’nin çoğunu soğurur, ama daha uzun dalgalı UVA’nın büyük kısmını geçirir. Araba camının arkasında güneşten yanmanız pek olası değildir, ama UVA yine de cilt yaşlanmasına katkıda bulunabilir.
• Kızılötesi: Cam güneşten gelen kısa dalgalı kızılötesini içeri alır, ama odadaki sıcak nesnelerin yaydığı uzun dalgalı kızılötesinin, yani ısı ışımasının çoğunu soğurur. Seraların sıcaklığı tutmasının bir parçası budur.

Bir camın kenarından bakınca gördüğünüz hafif yeşil ton, kırmızı ışığın bir kısmını soğuran az miktardaki demir oksitten gelir. Optik fiberlerde kullanılan çok saf cam ise o kadar saydamdır ki ışık kilometrelerce yol alabilir.

Akan pencereler efsanesi

Popüler bir hikâyeye göre cam aslında çok yavaş akan bir sıvıdır ve eski katedral pencerelerinin altının daha kalın olmasının nedeni budur. Doğru değil.

Brezilyalı malzeme bilimci Edgar Zanotto 1998’de Orta Çağ camının oda sıcaklığında fark edilir biçimde akması için ne kadar zaman gerektiğini hesapladı. Cevap evrenin yaşından çok daha uzundu. Eski pencerelerdeki eşitsiz kalınlık camın yapılış biçiminden gelir: Erimiş camı döndürerek disk hâline getirmek gibi yöntemler bazı yerleri daha kalın levhalar üretiyordu ve camcılar ağır kenarı çoğu zaman alta yerleştiriyordu.

Özetle

• Cam, atomları rastgele bir ağda donmuş, büyük ölçüde silikadan oluşan bir maddedir.
• Saydamdır, çünkü görünür ışığın enerjisi (1,6–3,3 eV) elektronlarını uyarmaya yetmez (yaklaşık 9 eV gerekir).
• Bütün bir cam parçasında, kumun ya da kırık camın aksine, ışığı saçacak tane sınırları yoktur.
• Pencere camı UVB’nin çoğunu engeller ama UVA’nın büyük kısmını geçirir.
• Eski pencerelerin altı camın akması yüzünden değil, yapılış biçimi yüzünden kalındır.