玻璃为什么是透明的？主要是量子排列方式与众不同

2022年6月6日下午3:55 • 科学 • 阅读 1574

大家有没有想过一个问题：玻璃为什么是透明的？要知道玻璃的主要组成成分就是二氧化硅和其他的一些氧化物，这些物质在自然界中非常常见，也就是沙子的主要成分，但是沙子并不是透明的。而且作为一个固体，为啥就能够允许光线穿越过去呢？

玻璃在我们生活中占据了非常重要的位置，作为一种固体，它确实透明的，这带来了一系列的好处和用途

玻璃（和其他一些材料）是由硅原子和氧原子组成。原子中央为原子核，包含质子和中子，周围是数量不一的电子。比起原子的尺寸，原子核和电子都微不足道。假设原子是一座体育场，原子核就是场中央的一颗豆子，电子就是周围看台上的沙粒。因此，原子内部（应该说所有物质内部）几乎都是空的。换句话说，原子应该有许多空隙能让光穿透，不会撞到电子或原子核，而事实也是如此。因此，真正的问题其实不是“玻璃为什么是透明的？”而是“为何不是所有物质都是透明的？”

原子内部结构图，虽然比例上是很失真，原子中的原子核非常非常小，整个原子内部是相当空旷的。

让我们继续使用体育场来做比喻。在原子体育场内，电子只能占据看台上的某些位子，就好像大多数座位都移走了，只剩下几排留着，而每个电子只能待在指定好的某一排。电子若想升等到更好的位子，就得多付钱，而所谓的钱就是能量。光穿透原子时会带来大量能量，只要量够，电子就会用它升等到更好的位子，也就是会把光的能量给吸收了，使光无法穿透物质。

不过，事情还另有蹊跷。光的能量必须恰到好处，让电子可以从现在的位子跳到其他空位上。能量太小，拿不到前一排的位子（也就是到前一排所需的能量太高），电子就无法提升，光也就不会被吸收。电子必须取得恰到好处的能量，才能在不同排的位子间（称为能态）移动，这是原子世界的基本法则，称为量子力学。排与排之间的落差是特定的能量值，称为量子。玻璃里的量子排列方式与众不同，使得移动到空位的能量高于可见光，因此可见光无法让电子升等座位，于是能直接穿过原子。这就是玻璃透明的原因。然而，紫外线之类的高能光就能让电子能量提升，因此无法穿透玻璃。这就是为什么玻璃能防晒，因为紫外线根本无法穿透玻璃碰到我们。木头和石块之类的不透明材质，拥有大量的便宜座位，因此可见光和紫外线都很容易被吸收。

就算光没被玻璃吸收，穿过原子时还是会受到影响而减慢速度，直到穿出玻璃的另一面后才会回复原速。若光以斜角进入玻璃，由于光的各组成元素（单色光）进出玻璃的时间不同，使得各色光在玻璃内的前进速度产生差异。这个速度差会让光折屈，也就是光的折射。光学镜片就是依据折射原理制作的。镜面弧度会让不同角度的入射光以不同角度折射，只要控制镜面曲度就能放大影像，让人类得以制作显微镜和望远镜，也让戴眼镜的人能看清楚东西。