什么是透明？

當(dāng)我們說某物是透明的時(shí)，這意味著光可以通過它而不會(huì)受到影響（至少在很大程度上）。通常的物體是不透明的，這意味著它們會(huì)阻擋光線，光線將無法穿過它們。這就是為什么我們可以看到它們的原因，因?yàn)楣饩€會(huì)反射它們并到達(dá)我們的眼睛。

但是透明的物體不是這樣的，它們只反射很少的光線，因此很難看到它們。這是一種獨(dú)特的性質(zhì)，可以用于很多事情。例如，如果我們能夠使它以正確的方式通過，并且可以將光“彎曲”到我們想要的位置，這就是眼鏡的工作原理。

在更深的量子世界（在亞原子范圍內(nèi)）中透明意味著光（光子）穿過原子而不會(huì)接觸或影響原子。在亞原子水平上，如果原子是一個(gè)足球場，則中心的豌豆將是原子核，電子相當(dāng)于是觀眾席上的鹽粒。原子內(nèi)的大多數(shù)空間都是空的。透明的物質(zhì)必須允許光子通過原子的內(nèi)部而不與原子核和電子發(fā)生相互作用。

為什么鐵是不透明的？

我們?cè)谶@里需要問的真正問題是，為什么不是所有物體都透明？讓我們?cè)俅芜M(jìn)入量子世界對(duì)此進(jìn)行解釋。

實(shí)際上，原子并不像我們?cè)跁袑W(xué)習(xí)的那樣。電子不總是在一個(gè)軌道上，他們會(huì)在不同的軌道上不斷跳動(dòng)。這是因?yàn)椴煌能壍谰哂胁煌摹澳芰克健??；旧?，電子需要更多的能量才能躍升到更高的能級(jí)，高層軌道的電子具有更多的能量。電子只有在吸收了能量才能跳到更高的軌道，由于仍然未知的原因，它們隨后便會(huì)下降到較低的能量水平。

圖注:鐵片是不透明的

但是有一個(gè)問題！電子只能吸收特定量的特定類型的能量才能跳到更高的軌道，這個(gè)特定的量是指具有特定能量（頻率）的光。

所以，鐵不是透明的是因?yàn)殍F原子的電子能夠吸收可見光頻率階段的光子能量而發(fā)生電子的躍遷。由于光子被吸收了，這意味著光子將無法繼續(xù)傳播，因此鐵會(huì)阻擋光線，從而顯示出不透明的性質(zhì)。

玻璃的構(gòu)成成分

玻璃是我們的日常生活中常用到的易碎且透明的硬質(zhì)材料。它主要由沙子（硅酸鹽，SiO2）和堿組成。

這些材料在高溫（即熔融粘稠狀態(tài)）下融合在一起。然后將它們迅速冷卻以形成剛性結(jié)構(gòu)，但是它們沒有足夠的時(shí)間形成結(jié)晶結(jié)構(gòu)。

圖注:二氧化硅的結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)不同的用途，玻璃的組成和冷卻速度將有所變化，以實(shí)現(xiàn)特定的性能。下面這些是玻璃的常見成分：

砂（SiO2二氧化硅）以純凈形式作為聚合物（SiO2）n存在。
蘇打水（碳酸鈉Na2CO3）會(huì)使SiO2軟化，然后開始降解（在1713°C時(shí)，大多數(shù)分子已經(jīng)可以自由移動(dòng)了）。添加蘇打水會(huì)將熔點(diǎn)降低至1000°C，使其更易于操作。
石灰石（碳酸鈣或）或白云石（MgCO3）也稱為石灰，天然的碳酸鈣為石灰石，大理石或白堊。蘇打水使玻璃具有水溶性、柔軟且不十分耐用，因此，加入石灰是為了增加了玻璃的硬度和化學(xué)耐久性以及材料的不溶性。
除此之外，還可以添加其他材料和氧化物以提高性能（著色，耐用性等），產(chǎn)生不同的效果，顏色等。

玻璃的主要性能

這些是玻璃的主要特征：

是堅(jiān)硬的材料。
具有無序和無定形結(jié)構(gòu)。
易碎。
對(duì)可見光透明。
是惰性和無生物活性的材料。
由于其成分和特性，玻璃可100％回收利用，是最安全的包裝材料之一。

圖注:用玻璃制作的水杯是透明的。

玻璃用于建筑應(yīng)用、照明、電氣傳輸、科學(xué)研究儀器、光學(xué)儀器、家用工具甚至紡織品。玻璃不會(huì)變質(zhì)，腐蝕，變色或褪色，因此是最安全的包裝材料之一。

玻璃的類型

玻璃的主要類型如下：

一、鈉鈣玻璃

這是最常見的商用玻璃，鈉鈣玻璃的成分通常為60-75％的二氧化硅，12-18％的蘇打水和5-12％的石灰。可以添加低百分比的其他材料以實(shí)現(xiàn)特定的屬性，例如著色，下面是鈉鈣玻璃的特點(diǎn):

具有透光性，適合在窗戶的平板玻璃中使用。
它具有光滑無孔的表面，使玻璃瓶和包裝玻璃易于清洗。
鈉鈣玻璃容器實(shí)際上是惰性的，可抵抗水溶液的化學(xué)侵蝕，因此不會(huì)污染內(nèi)部溶液或影響味道。
純玻璃SiO2不會(huì)吸收紫外線，而鈉鈣玻璃則不允許波長小于400 nm的光（紫外線）通過。
鈉鈣玻璃的缺點(diǎn)是不能抵抗高溫和突然的熱變化。例如，當(dāng)在高溫下倒入液體以泡茶時(shí)，相信每個(gè)人都會(huì)遇到玻璃破裂的情況。
鈉鈣玻璃的某些用途主要用于瓶子，廣口瓶，日常水杯和窗戶玻璃。

圖注:玻璃門

二、鉛玻璃

鉛玻璃由54-65％的SiO2，18-38％的氧化鉛（PbO），13-15％的蘇打（Na2O）或鉀鹽（K2）以及各種其他氧化物組成。當(dāng)PbO的含量小于18％時(shí)，被稱為晶體玻璃。下面是鉛玻璃的特點(diǎn):

適量的鉛增加了鉛玻璃的耐用性。
大量添加鉛會(huì)降低熔點(diǎn)并降低硬度，形成柔軟的表面。
此外，它具有高折射率，可提供高亮度玻璃。
具有高氧化鉛含量（即65％）的玻璃可用作輻射屏蔽玻璃，因?yàn)殂U吸收了伽馬射線和其他形式的有害輻射，例如用于核工業(yè)。
與鈉鈣玻璃一樣，鉛玻璃不能承受高溫或溫度的突然變化。

三、硼硅酸鹽玻璃

硼硅酸鹽玻璃主要由二氧化硅（70-80％），氧化硼B(yǎng)2O3（7-13％）和少量的堿金屬（鈉和鉀的氧化物），例如Na2O和K2O的4-8％和 2-7％氧化鋁（Al2O3）組成。

因?yàn)榕饘?duì)熱變化和化學(xué)腐蝕具有更大的抵抗力，所以它適用于工業(yè)化工廠、實(shí)驗(yàn)室、制藥行業(yè)、大功率照明器材的燈泡等，硼硅酸鹽玻璃還用于家庭烹飪板和其他耐熱產(chǎn)品。它用于家用廚房和化學(xué)實(shí)驗(yàn)室，這是因?yàn)樗哂懈玫目篃釠_擊能力，并且在進(jìn)行加熱和冷卻實(shí)驗(yàn)時(shí)，在實(shí)驗(yàn)室測量中具有更高的精度。

圖注:用硼硅酸鹽制作的玻璃儀器

為什么玻璃是透明的？

我們可以回顧一下上面的內(nèi)容，因?yàn)殡娮訒?huì)有的不相同的能級(jí)軌道，要從低的能級(jí)軌道移動(dòng)到高的能級(jí)軌道，電子就須要獲得光的能量。與此相反，要從高的能級(jí)軌道移動(dòng)到低的能級(jí)軌道，電子則需要丟棄一部分能量。不管是哪種情況，電子都只能通過離散束的方式獲取或釋放它的能量。

圖注:電子的躍遷示意圖

當(dāng)一束光朝著一個(gè)物質(zhì)移動(dòng)并與之相互作用時(shí)，只會(huì)發(fā)生下面三種情況之中的一種：

該物質(zhì)吸收了光。當(dāng)光將其能量交給位于材料中的電子時(shí)，就會(huì)發(fā)生這種情況。有了這些額外的能量，電子就能移動(dòng)到更高的能級(jí)，而光就會(huì)消失。
該物質(zhì)反射光。為此，光將其能量釋放給材料，但會(huì)發(fā)射出具有相同能量的光。
該物質(zhì)允許光不變地通過。之所以稱為通過，是因?yàn)楣獠慌c任何電子相互作用，并繼續(xù)向前直到與另一個(gè)物體相互作用。

玻璃明顯是屬于第三類情形。光能夠穿越玻璃是因?yàn)楣鉀]有充足的能量來把玻璃里的電子激發(fā)到更高的軌道中?？茖W(xué)家經(jīng)常用能帶理論來描述這種現(xiàn)象，能帶理論認(rèn)為能級(jí)在一個(gè)被稱為能帶的區(qū)域中同時(shí)存在。在能量帶中間是一個(gè)被稱為帶間隙的地方，這些地方的電子能級(jí)是沒有的。某些物體的帶間隙比另一些材料的帶間隙大，恰巧玻璃就是這些帶間隙大的材料之一，這意味著玻璃中的電子需要更多的能量，才能從一個(gè)能帶跳到另一個(gè)能帶再返回。

可見光的波長是四百至七百納米，它們對(duì)應(yīng)藍(lán)、靛、橙、綠、紫、黃和紅七種顏色，所以可見光根本沒有足夠的能量導(dǎo)致這種能級(jí)跳躍。因?yàn)榭梢姽鈺?huì)直接穿越玻璃而沒有被吸收，所以玻璃便顯示出透明的特性。

圖注:可見光的頻率范圍

然而，如果光的波長小于可見光，這就會(huì)使得這部分光擁有足夠的能量來把玻璃的電子從一個(gè)能級(jí)躍遷到另一個(gè)能級(jí)。例如，波長在十到四百納米之間的紫外線不能穿透大多數(shù)的氧化物玻璃。這使得窗戶對(duì)紫外線來說是不再透明的了，就像鐵對(duì)可見光不透明一樣，所以太陽在經(jīng)過玻璃再照射到我們的皮膚時(shí)，我們是不用擔(dān)心被曬黑的。

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