光学基础知识大讲堂

——第17期:玻璃为什么是透明的?

日常生活中,有一种材料非常常用,常用到我们一提到它,自然而然地认为它就是透明的。这种材料叫做玻璃,今天我们就来解读一下玻璃为什么是透明的?

1 挡风玻璃(图片来源于网络)

玻璃透光意味着光穿过了玻璃。那么换句话说,不透光就是光被挡住了,没有过去。那么光被挡住就有这么几种可能:光被吸收或者光被反射或者散射回去了。显然,物体反射什么样的光,自然就会呈现出什么样的颜色。因此,本期主题需要扩展一下,应该叫做物体颜色的物理本质。
       好,接下来回到最初的问题:玻璃为什么是透明的?提到透明,我们第一时间会想到,大部分液体或者气体都是透明的,其实玻璃为什么透明的原因跟液体、气体透明是一样的,都是因为微观上有空隙!例如,固态物体,分子之间的排列是非常紧密的,因此也非常坚固,就跟一堵墙一样;而气体或者液体,分子之间的排列就相对比较松散,相互连接强度也变小,自然也容易让光透过去。(注:当然这并不是光透射过去的根本原因,这只是一个表象,有博人眼球之嫌)


2 不同形态分子排列结构(图片来源于网络)

显然,这并不能回答玻璃为什么是透明的问题。这就要涉及到玻璃的结构了。普通光学玻璃是由二氧化硅和其他化合物熔融在一起形成的(主要生产原料为:纯碱、石灰石、石英),在熔融时形成连续网络结构,冷却过程中粘度逐渐增大并逐渐硬化。由于玻璃采用超快速冷却而获得,因此保留了其在液态的结构,具有短到中程有序、长程无序的状态,是各向同性的。所以,在宏观上玻璃是固态的,但在微观上却是液态的。
       好,问题又来了,玻璃粉末为什么是白色的,而不是透明的?

3 玻璃粉末(图片来源于网络)

虽然,前面提到分子之间要有空隙才能透光,不过此空隙并非真的空隙。玻璃是非晶的,对应的就是晶体,如果间隔是一致有序的,那么我们把它叫做单晶体;如果在某一处晶粒的晶面取向不一致了,那就是多晶体,这个界面叫做晶界。而这个晶核之间的空隙就是晶界。显然,这个杂乱无章的晶界会引起光的折射、反射、散射等现象,所以一般情况下,单晶硅太阳能电池的光电转换效率会大于多晶硅太阳能电池的转换效率 ,因为多晶不利于均匀吸收太阳光。扯远了,回来继续,如果当物体的结构被破坏(像玻璃粉末一样),那就不算单一的晶体了,显然不能再算晶界(这是微观上的概念),只能算颗粒物了,自然在颗粒界面处形成杂乱无章的光线,所以最后呈现白色。

4 晶粒示意图(图片来源于网络)

当然,玻璃为什么是透明的有一个前提条件,这个前提条件是对人来说。人类的视觉范围是可见光部分,所以对我们来说,只要可见光部分能够通过,就说这种材料是透明的。其实,对于电磁波(光)来说,任何一种材料都不是完全透明的。举个最简单的例子,玻璃能够透过可见光,但是却能阻挡紫外线,这也是为什么隔着玻璃不容易晒黑的原因;再比如,我们的皮肤是不透明的吧,但是去医院拍X片的时候,却能看得见骨头的样子。所以,透不透明是相对的。
       那么最最最重要的问题来了,可见光和紫外线、X射线都是电磁波,只是频率不同,那到底是什么决定这种材质具体吸收、折射或者反射什么样的电磁波。这就涉及到原子能级的概念。由量子力学理论可知,组成物质的原子中有不同数量的粒子(电子)分布在不同的能级上,在能量最低的能级上的粒子受到某种光子的激发,跃迁到高能级的激发态,再从高能级跳到低能级从而辐射出与激发它的相同性质的光。另外,物体还会吸收光转换成热能,各个方面的原因叠加起来决定物体吸收什么样的光从而呈现出什么样的颜色比如黑色,就是物体吸收了可见光部分的电磁波导致。
      既然提到了光的反射,那就必须要提一下镜子(玻璃+银、铝、汞等组成),或者有光泽的金属。

5 金属的反射吸收谱(图片来源于网络)

以金(Au)为例,从图5可以看到,金在500nm以下波段的反射率是非常低的,所以我们看到的是500nm以上的反射光,因此金呈现的是金黄色。好,问题来了,为什么铝(Al)在全波段的反射率一直这么高,而金的有些波段却不高。这个就要扯到等离子体理论了。在金属中存在未全部填满的能带,里面存在许多的自由电子,这些自由电子非常类似等离子体里的自由离子。光子会引起等离子振荡,如果光的频率低于等离子体频率,那么光就会被反射回去;当光频高于这个频率时,金属电子来不及反应去屏蔽反射光子,则光就能够透过去。显然,对于不同的金属材料,这个等离子体频率肯定是不一样的,不过大多数金属的等离子体频率在紫外波段。
      总结一下,玻璃为什么是透明的?首先,玻璃的材质要保证它不会吸收可见光,不然就是黑色的了;其次,必须结构是完整的,不然像玻璃渣渣这样子的肯定就不会透明了;最后,玻璃不像金属一样有自由电子,不会屏蔽反射光子。这就是玻璃透明的原因。
      玻璃在不同的场合有不同的应用,比如防辐射光学玻璃,就是想要吸收或者散射X射线、γ射线等放射性射线的光子,所以通常会在玻璃基质中加入重金属元素(如铅和铋元素),从而达到防辐射的目的,它在医学、原子能工业等领域有着广泛的应用。

6 防辐射光学玻璃(图片来源于网络)