导语：什么使玻璃透明？

那扇玻璃窗正在做它最擅长的事情——将恶劣的天气挡在外面，同时仍然允许光线通过。

看过正在建造的房子吗？木匠首先使用 2 x 4 的螺柱竖立结构的基本骨架。然后他们将护套（通常是胶合板）钉在螺柱上以制作墙壁。大多数墙壁都包括一个窗户开口，该窗户将一块玻璃板固定在框架内。窗户让光线进入，让家感觉明亮、温暖和温馨。但是为什么玻璃窗应该比它周围的木头更透明呢？毕竟，这两种材料都是坚固的，都可以防雨、防雪和防风。然而，木材是不透明的，完全阻挡了光线，而玻璃是透明的，让阳光畅通无阻。

你可能听过一些人——甚至一些科学教科书——试图通过说木头是真正的固体而玻璃是高粘度液体来解释这一点。然后他们继续争辩说，玻璃中的原子散布得更远，这些间隙让光线挤过。他们甚至可能会指出具有百年历史的房屋的窗户通常看起来呈波浪状且厚度不均，以此证明这些窗户多年来一直“流动”，就像在寒冷的日子里缓慢爬行的糖蜜一样。

实际上，玻璃根本不是液体。它是一种特殊的固体，称为无定形固体。这是一种物质状态，其中原子和分子被锁定在适当的位置，但它们没有形成整齐有序的晶体，而是随机排列。结果，玻璃像固体一样机械刚性，但像液体一样具有无序排列的分子。当固体物质在高温下熔化然后迅速冷却时，就会形成无定形固体——这一过程称为淬火。

在许多方面，玻璃就像陶瓷一样，具有它们的所有特性：耐用性、强度和脆性、高电阻和耐热性以及缺乏化学反应性。氧化玻璃，就像您在平板玻璃、容器和灯泡中发现的商业玻璃一样，具有另一个重要特性：它对称为可见光的一系列波长是透明的。要了解原因，我们必须仔细研究玻璃的原子结构，并了解当光子——最小的光粒子——与该结构相互作用时会发生什么。

我们接下来会这样做。

电子到光子：你不会让我兴奋

首先，回想一下电子围绕原子核，占据不同的能级。为了从较低的能级移动到较高的能级，电子必须获得能量。相反，为了从较高的能级移动到较低的能级，电子必须放弃能量。在任何一种情况下，电子只能以离散束的形式获得或释放能量。

现在让我们考虑一个光子向固体物质移动并与之相互作用。可能发生以下三种情况之一：

该物质吸收光子。当光子将其能量交给位于材料中的电子时，就会发生这种情况。有了这种额外的能量，电子就能够移动到更高的能级，而光子则消失了。该物质反射光子。为此，光子将其能量交给材料，但会发射出具有相同能量的光子。该物质允许光子原封不动地通过。这被称为传输，发生这种情况是因为光子不与任何电子相互作用并继续它的旅程，直到它与另一个物体相互作用。

当然，玻璃属于最后一类。光子穿过材料是因为它们没有足够的能量将玻璃电子激发到更高的能级。物理学家有时会用能带理论来谈论这个问题，即能级同时存在于被称为能带的区域中。在这些带之间是称为带隙的区域，其中根本不存在电子的能级。一些材料的带隙比其他材料大。玻璃就是其中一种材料，这意味着它的电子需要更多的能量才能从一个能带跳到另一个能带然后再返回。可见光光子— 波长为 400 到 700 纳米的光，对应于紫色、靛蓝、蓝色、绿色、黄色、橙色和红色 — 根本没有足够的能量来导致这种跳跃。因此，可见光的光子穿过玻璃而不是被吸收或反射，从而使玻璃变得透明。

在小于可见光的波长处，光子开始有足够的能量将玻璃电子从一个能带移动到另一个能带。例如，波长在 10 到 400 纳米之间的紫外线不能穿过大多数氧化物玻璃，例如窗玻璃中的玻璃。这使得一扇窗户，包括我们在建的假想房屋中的窗户，对紫外线不透明，就像木头对可见光一样。

明玻璃常见问题

为什么玻璃对可见光透明，但对紫外线和红外线不透明？

这是因为紫外光和红外光的能量及其波长。当可见光透过玻璃时，波没有足够的能量来激发其中的电子，因此它们直接穿过结晶结构，从而导致透明。

为什么玻璃是透明的，而任何典型的金属都是不透明的？

这个概念也被称为透明度或透明性。虽然光波没有能量来激发和反射玻璃的电子，但其他金属也不能这样说。光接触电子，激发它们并反弹回来，这使我们能够看到金属。

玻璃总是透明的吗？

并非所有玻璃都是透明的——有时它是半透明的或发光的，或者可能会扭曲另一端的图像。这是因为随着玻璃层不断堆叠，光在层内反弹，电子到电子，这意味着最终，玻璃不再保持透明。

沙子是如何变成透明玻璃的？

当沙子过热时，二氧化硅颗粒也会在 3090°F 时熔化。熔化的二氧化硅过滤掉所有杂质。虽然沙子含有使其可见的杂质，但纯二氧化硅会形成坚固的晶体，即透明玻璃。

为什么玻璃透明且易碎？

如果玻璃未经热处理，则它是透明的，因为玻璃中没有杂质或晶界。缺乏这些边界意味着化合物之间的键没有特定的边界，从而有效地使玻璃变脆。

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