玻璃為什么是透明的？

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發(fā)表于 2016-11-12 15:03:59 | 只看該作者 |倒序?yàn)g覽 |閱讀模式

玻璃實(shí)在是太常見(jiàn)了，以至于大多數(shù)人都想當(dāng)然地認(rèn)為它本來(lái)就應(yīng)該是那個(gè)樣子的。但究竟玻璃為什么是透明的呢？為什么我們可以透過(guò)玻璃窗看到外面，而不是透過(guò)四周的木窗框呢？

　　您可能已經(jīng)注意到，大多數(shù)液體和氣體都是透明的。水、食用油、外用酒精、空氣和天然氣等等都是透明的。那是因?yàn)楣腆w、液體和氣體之間有著根本的不同。當(dāng)一種物質(zhì)呈固態(tài)時(shí)，分子之間的排列通常都整齊有序，彼此的聯(lián)結(jié)也十分牢固，因此物質(zhì)也就非常堅(jiān)硬。當(dāng)物質(zhì)從固態(tài)轉(zhuǎn)化為液態(tài)時(shí)，分子間的聯(lián)結(jié)強(qiáng)度降低，分子開(kāi)始呈隨機(jī)狀態(tài)排列。而在物質(zhì)汽化的過(guò)程中，您會(huì)發(fā)現(xiàn)分子間的聯(lián)結(jié)強(qiáng)度大幅減弱，分子的排列完全呈隨機(jī)狀態(tài)。

　　

　　這種分子從有序排列到隨機(jī)排列的過(guò)程，就是光可以透過(guò)液體和氣體的最根本的原因。在大多數(shù)固體中，分子都排列得像是一層層整齊緊密的磚塊，因此光波無(wú)法從中透過(guò)。所以當(dāng)照射到這樣的物質(zhì)上時(shí)，光波會(huì)被反射、散射或吸收——一般來(lái)說(shuō)，這三種情況會(huì)同時(shí)發(fā)生。但是當(dāng)物質(zhì)變成液態(tài)或氣態(tài)時(shí)，分子排列不再整齊，部分光波就可以從縫隙或孔洞中穿過(guò)。物質(zhì)中的分子排列越是無(wú)序，光線就越容易穿過(guò)。

　　另一個(gè)影響因素發(fā)生在亞原子級(jí)水平上。組成任何物質(zhì)的分子都是由許多原子結(jié)合在一起而構(gòu)成的，這些原子通常帶有很多電子。當(dāng)光子與這些電子發(fā)生作用時(shí)，可能會(huì)發(fā)生以下情況：

　　電子吸收光子的能量并將其轉(zhuǎn)化為其他形式（通常是轉(zhuǎn)化為熱能）

　　電子吸收并保存光子的能量（這樣會(huì)引起發(fā)光現(xiàn)象，儲(chǔ)能時(shí)間較短時(shí)稱(chēng)為熒光，儲(chǔ)能時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)稱(chēng)為磷光）

　　電子吸收光子的能量并將其沿入射方向發(fā)射回去（反射）

　　電子不吸收光子的能量時(shí)，光子繼續(xù)沿其路徑傳播（透過(guò)）

　　絕大多數(shù)情況下，以上四種情況在光線照射物體時(shí)會(huì)同時(shí)發(fā)生。不同種材料中的電子吸收能量的范圍不同。例如，許多玻璃都可阻擋紫外線（UV）。這是因?yàn)椋Ａе械碾娮游樟俗贤饩€中光子的能量，但并未吸收可見(jiàn)光中較弱的光子能量。如果電子吸收了可見(jiàn)光中的任何一部分能量，那么透過(guò)的光都會(huì)帶有顏色，具體取決于吸收的是哪一種光。事實(shí)上，任何物體的顏色都是由該物質(zhì)中電子所吸收的光子的能級(jí)決定的。

　　盡管黑曜石或松脂石玻璃可以天然形成，但一般使用的玻璃都是一種人造物質(zhì)。制造玻璃的基本方法如下：

　　最常用的制造玻璃的原料是硅石，這種原料就像海灘上隨處可見(jiàn)的沙子一樣普遍。

　　對(duì)原料進(jìn)行高溫加熱，直至其融化為液態(tài)，然后再冷卻。得到的物質(zhì)具有像液體一樣隨機(jī)排列的分子結(jié)構(gòu)，同時(shí)保留了強(qiáng)力的聯(lián)結(jié)和固體那樣的硬度。上述是一個(gè)簡(jiǎn)化了的流程。現(xiàn)實(shí)中通常還會(huì)在其中加入可加快硅石融化的物質(zhì)，以及使玻璃更堅(jiān)固而不易碎的原料。對(duì)溫度、加熱時(shí)間和冷卻方法的要求都十分嚴(yán)格。

　　在玻璃制造中用作冷卻劑的材料可使分子的排列呈無(wú)序狀態(tài)（像液體一樣），其所含電子不吸收可見(jiàn)光的光子能量。這就是為什么同樣是固體，但玻璃透明而木頭、金屬和石頭等都不透明的道理。

　　另一種類(lèi)似的制造方法稱(chēng)為淬火，用于生產(chǎn)透明或半透明的塑料產(chǎn)品。淬火可使塑料中的聚合物（長(zhǎng)鏈分子）以一種無(wú)規(guī)則的形式排列，使光線能夠透過(guò)。該工藝亦可應(yīng)用于有機(jī)物質(zhì)。透明或半透明糖果的制造過(guò)程為：將配方原料加熱，然后快速冷卻。

　　請(qǐng)注意，透明的玻璃、塑料和糖果都是融化后冷卻而形成的固體。它們具有相同的工藝流程。

　　有成千上萬(wàn)的物質(zhì)可以用于制造不同類(lèi)型的玻璃。所能透過(guò)的光線的數(shù)量及種類(lèi)取決于所用物質(zhì)的類(lèi)型和純度。高純度的硅石透光性非常好，只有極少量的光波會(huì)被吸收，但通常會(huì)有一部分被反射。您所見(jiàn)到的玻璃窗幾乎都是這樣。

　　其他用于制造玻璃的材料可透過(guò)或阻擋特定類(lèi)型的光，如紫外線甚或部分可見(jiàn)光。您可能見(jiàn)到過(guò)黑色或其他一些不透明顏色的玻璃。通常，出現(xiàn)這些顏色都是由于懸浮在玻璃當(dāng)中的微小顆粒的存在，作用和某些液體或氣體當(dāng)中的雜質(zhì)一樣。玻璃的屬性也可以通過(guò)其他方法來(lái)改變，例如濾去某種特定波長(zhǎng)的光。制造這種玻璃時(shí)，應(yīng)讓冷卻的速度足夠慢，以使分子部分結(jié)晶或形成一定結(jié)構(gòu)。還有一些材料因其便于塑型且具有良好的透射和/或折射性能而被用來(lái)制造玻璃，用于眼鏡鏡片和放大鏡等產(chǎn)品中。