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- 유리 속 이산화규소 분자는 전자를 매우 단단히 붙잡고 있다.
- 광자는 흡수되지 않고 거의 변하지 않아 유리를 통과한다. 유리는 우리에게 투명하게 보여

유리는 왜 투명한가요?

오늘날 유리는 우리 일상생활에서 거의 없어서는 안 될 존재다. 창유리, 음료수 용기, 병, 거울 등 어떤 용도로 사용되든, 우리는 이 단단하고 매끄럽고 반투명한 물질을 어디에서나 접합한다. 그런데 석영 모래에 소다와 석회를 섞어 만든 유리는 불투명하고 희끄무레해 보이는데, 유리는 왜 투명한 걸까? 

▲ 유리는 원료가 투명하지 않은데 왜 투명한 걸까요? © Dmytro Skrypnykov / Getty Images

에를랑겐 대학교 유리 및 세라믹 연구소의 로타르 원드라체크 교수는 "유리가 투명한 데에는 두 가지 이유가 있다. 첫째, 유리에는 빛을 산란시킬 입자나 물질의 경계가 없다. 유리는 매우 균질하다"고 말했다. 둘째, 가시광선은 유리의 전자와 잘 상호 작용할 수 없다. 따라서 빛 입자는 유리를 거의 변하지 않고 통과한다.

"얼어붙은 액체"

유리는 구조 면에서 다른 고체와 다르다. 과학자들은 유리를 "얼어붙은 과냉각 액체"라고 부른다. 유리의 원자와 분자는 결정처럼 규칙적인 격자 구조로 배열되어 있지 않고, 불규칙적으로 배열되어 있다. 따라서 원자와 분자 사이에는 종종 틈이 존재한다.

하지만 분자 구조의 이러한 틈새가 단순히 빛을 통과시켜 유리를 투명하게 만든다는 가정은 틀렸다고 노팅엄 대학교의 나노과학 연구원 필립 모리아티는 설명한다. "중요한 것은 고체에서 원자가 어떻게 배열되어 있는가다. 그리고 그 배열은 다시 전자의 분포를 결정하는데, 바로 이것이 핵심이다.“

전자와의 상호작용 없음

일반적으로 음전하를 띤 전자는 소위 바닥상태에서 원자핵 주위를 돌며, 따라서 최소 에너지 상태에 있다. 모리아티는 이를 방바닥에 가만히 놓여 있는 공에 비유했다. 빛이 이 물질에 닿으면 빛의 광자와 물질의 전자가 상호작용한다. 빛은 에너지를 전자에 전달하여 전자를 더 높고 에너지가 높은 궤도로 끌어올린다. 이제 공은 바닥에 놓이지 않고 탁자 위에 놓이게 된다. 그러나 빛 입자는 이 과정에서 흡수된다. 이렇게 되면 물질은 불투명해진다.

하지만 유리는 다르다. "대부분 유리는 결합 강도가 매우 강해서 자외선이나 X선과 같은 고에너지 방사선만이 이를 극복하기에 충분하다"고 원드라체크는 설명한다. 유리 속 이산화규소 분자는 전자를 매우 단단히 붙잡고 있기 때문에 가시광선 에너지가 이들을 들뜨게 할 수 없다. 따라서 광자는 흡수되지 않고 거의 변하지 않고 유리를 통과한다. 유리는 우리에게 투명하게 보인다.

원드라체크는 "유리에 전자가 약하게 결합된 특정 첨가제가 불순물로 또는 의도적으로 첨가되면 이 첨가제가 빛을 흡수할 수 있다. 이로 인해 다양한 유리 색상이 나타난다"고 말했다. 금속 산화물은 일반적으로 착색 첨가제로 사용되며, 병, 교회 창문, 유리 꽃병이 밝은 파란색, 노란색 또는 녹색으로 보이게 한다.

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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