שקיפות (אופטיקה)

המונח "שקוף" מפנה לכאן. לערך העוסק במיזם עיתונאי בשם זה, ראו שקוף - גוף התקשורת של הציבור. שקיפות היא תכונה אופטית של תווך המבטאת את יכולתו להעביר קרינה אלקטרומגנטית ובפרט אור מבלי לפזרה או לבלוע אותה. ככל שהחומר שקוף יותר אחוז הקרינה המועבר בתווך גדול יותר. חומר שקוף למחצה, כלומר המאפשר מעבר של אור אך מפזר אותו, מכונה "חומר זָכוּךְ" (transluscent), חומר שאינו שקוף מכונה "חומר אָטוּם". שקיפות נובעת מחוסר היכולת של הקרינה לבצע אינטראקציה עם האלקטרונים או המולקולות שבתווך. מידת השקיפות של חומרים שונה באורכי גל שונים, תחומים שונים בספקטרום מבצעים אינטראקציות שונות עם חומרים שונים. חומר שהוא שקוף בתכונותיו האלקטרוניות יכול להיות זכוך, כתוצאה מפיזורים פנימיים. תרחיף (לדוגמה ערפל, חלב) אינו שקוף כי החלקיקים הרבים בתוכו מפזרים את האור לכיוונים שונים, על אף שהחומרים כשלעצמם (מים, אוויר, שומן) שקופים. מוצק רב גבישי (לדוגמה מלח בישול, אלומינה) יכול להיות שקוף בתכונותיו הבסיסיות אך לא בנפח גדול, כי הגבישונים הרבים מפזרים את האור בכיוונים שונים, אף שכל גבישון כשלעצמו שקוף. כאשר קרינה עוברת מתווך אחד לתווך אחר, בדרך כלל המעבר אינו חלק וישר, ומתרחשת שבירה. בתהליך השבירה חלק מהקרינה מוחזרת וחלק מהקרינה חודרת פנימה, אולם לא בקו ישר אלא בזווית מסוימת, מידת השבירה נקבעת על פי הזווית ביחס לניצב למשיק לתווך החדש בנקודת הכניסה, ועל פי מקדם השבירה. הנוסחה שמודדת את רמת השבירה בהתחשב בנתונים אלו, היא המשוואה הנתונה בחוק סנל. במקרים מסוימים במעבר מתווך שקוף לאחר בזווית מסוימת, תיתכן החזרה מלאה של הקרינה בלא כל מעבר. על ידי שימוש בידע זה, יוצרים זכוכיות שמצד אחד עובר דרכן אור ומצד שני לא. שקיפות נמדדת בכמה אופנים שקולים. שקיפות של עצם נמדדת על פי עומק אופטי (optical depth), שהוא גודל חסר יחידות המבטא את החלק מהקרינה הנבלעת במעבר דרך העצם כולו. עומק אופטי בחומרים רגילים הוא גודל חיובי או אפס, חסר יחידות, בסולם לוגריתמי טבעי. ln ⁡ I i n I o u t {\displaystyle \ln {\frac {I_{in}}{I_{out}}}} . כאשר עובי אופטי אפס, כלומר ln ⁡ 1 {\displaystyle \ln 1} , הוא חומר שקוף לחלוטין, עובי אופטי של אחד מעביר e − 1 {\displaystyle e^{-1}} , כ-37%, מהקרינה, וכך הלאה. שקיפות כתכונה של חומר נמדדת בעומק חדירה (Penetration depth), שהוא עובי החומר שבו עוצמת הקרינה החודרת שווה לאחד חלקי e מעוצמת הקרינה ההתחלתית. עומק החדירה הוא גודל בעל יחידות של אורך, והחומר שקוף יותר ככל שעומק החדירה גדול יותר. באטמוספירה עומק החדירה נמדד כראות אטמוספירית. מדד נוסף לשקיפות של חומר הוא מקדם הנחתה (Attenuation coefficient), שהוא אחד חלקי עומק החדירה. מקדם ההנחתה הוא גודל בעל יחידות של אחד חלקי אורך, וככל שמקדם ההנחתה גדול יותר, החומר אטום יותר ושקוף פחות. עבור עצם שהוא משטח אחיד, העומק האופטי שווה לעובי החומר כפול מקדם ההנחתה, וגם לעובי החומר חלקי עומק החדירה. שקיפות בים (ראות בתוך המים) נמדדת בעומק סקי באמצעות דסקת סקי. עומק סקי הוא העומק המרבי שבו נראית דסקת סקי הצבועה בשחור ולבן. האטמוספירה שקופה לאור נראה, עם עומק חדירה ממוצע של כמה עשרות קילומטרים, המשתנה על פי ראות אטמוספירית בכל מזג אוויר. האטמוספירה שקופה גם לחלקים של הקרינה התת-אדומה, אך חלקים מסוימים בתת-אדום נחסמים באטמוספירה מכוון שהם משרים סיבובים וויברציות מולקולריות (בעיקר על מולקולות מים ופחמן דו-חמצני). שכבת האוזון אינה שקופה לקרינה על-סגולה. בזכות שכבת האוזון, פיזור ריילי גורם לכך שהאטמוספירה יותר זכוכה לכחול מאשר לשאר הצבעים ומסיבה זו השמיים כחולים. קרינת הרקע הקוסמית היא שריד מתקופה בה היקום הצעיר שינה את מצבו מאטום לשקוף. עד כ-200,000 שנים לאחר המפץ הגדול היקום הורכב בעיקרו מפלזמת מימן אטומה מאוד, אולם כשהיקום התרחב והתקרר יוני המימן עברו ריקומבינציה והפכו לאטומים שהם במידה רבה שקופים לקרינה. זכוכית שקופה מכיוון שמבנה פסי האנרגיה בה לא מאפשר אינטראקציה של התחום הנראה של הספקטרום עם האלקטרונים בחומר, אולם קרינת על-סגול מסוגלת לבצע עירורים אלו ולכן הזכוכית אטומה לקרינה זו. אילוח של זכוכית בחומרים שונים מסוגל לגרום לכך שצבעים מסוימים ייבלעו בחומר ועל ידי כך הזכוכית תהפוך לצבעונית. אור פיזור שבירה מה הופך זכוכית לשקופה? מאתר HowStuffWorks (באנגלית) הסבר מדוע זכוכית שקופה מסדרת הרשת Sixty Symbols, סרטון באתר יוטיוב (באנגלית) ?Why is glass transparent – סרטון המסביר מדוע הזכוכית שקופה