什么是透明？

當我們說某物是透明的時，這意味著光可以通過它而不會受到影響（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，因為光線會反射它們并到達我們的眼睛。

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。這是一種獨特的性質，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）中透明意味著光（光子）穿過原子而不會接觸或影響原子。在亞原子水平上，如果原子是一個足球場，則中心的豌豆將是原子核，電子相當于是觀眾席上的鹽粒。原子內的大多數空間都是空的。透明的物質必須允許光子通過原子的內部而不與原子核和電子發生相互作用。

為什么鐵是不透明的？

我們在這里需要問的真正問題是， 為什么不是所有物體都透明？讓我們再次進入量子世界對此進行解釋。

實際上，原子并不像我們在書中學習的那樣。電子不總是在一個軌道上，他們會在不同的軌道上不斷跳動。這是因為不同的軌道具有不同的“能量水平”。基本上，電子需要更多的能量才能躍升到更高的能級，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，它們隨后便會下降到較低的能量水平。

圖注:鐵片是不透明的

但是有一個問題！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，鐵不是透明的是因為鐵原子的電子能夠吸收可見光頻率階段的光子能量而發生電子的躍遷。由于光子被吸收了，這意味著光子將無法繼續傳播，因此鐵會阻擋光線，從而顯示出不透明的性質。

玻璃的構成成分

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）下融合在一起。然后將它們迅速冷卻以形成剛性結構，但是它們沒有足夠的時間形成結晶結構。

圖注:二氧化硅的結構圖

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

1. 砂（SiO2二氧化硅） 以純凈形式作為聚合物（SiO2）n存在。
2. 蘇打水（碳酸鈉Na2CO3） 會使SiO2軟化，然后開始降解（在1713°C時，大多數分子已經可以自由移動了）。添加蘇打水會將熔點降低至1000°C，使其更易于操作。
3. 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耐久性以及材料的不溶性。
4. 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），產生不同的效果，顏色等。

玻璃的主要性能

• 是堅硬的材料。
• 具有無序和無定形結構。
• 易碎。
• 對可見光透明。
• 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。
  
  

玻璃用于建筑應用、照明、電氣傳輸、科學研究儀器、光學儀器、家用工具甚至紡織品。玻璃不會變質，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現特定的屬性，例如著色，下面是鈉鈣玻璃的特點:

• 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。
• 鈉鈣玻璃容器實際上是惰性的，可抵抗水溶液的化學侵蝕，因此不會污染內部溶液或影響味道。
• 純玻璃SiO2不會吸收紫外線，而鈉鈣玻璃則不允許波長小于400 nm的光（紫外線）通過。
• 鈉鈣玻璃的缺點是不能抵抗高溫和突然的熱變化。例如，當在高溫下倒入液體以泡茶時，相信每個人都會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。
  
  

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PbO的含量小于18％時，被稱為晶體玻璃。下面是鉛玻璃的特點:

• 適量的鉛增加了鉛玻璃的耐用性。
• 大量添加鉛會降低熔點并降低硬度，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，因為鉛吸收了伽馬射線和其他形式的有害輻射，例如用于核工業。
• 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B2O3（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。

因為硼對熱變化和化學腐蝕具有更大的抵抗力，所以它適用于工業化工廠、實驗室、制藥行業、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品。它用于家用廚房和化學實驗室，這是因為它具有更好的抗熱沖擊能力，并且在進行加熱和冷卻實驗時，在實驗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容，因為電子會有的不相同的能級軌道，要從低的能級軌道移動到高的能級軌道，電子就須要獲得光的能量。與此相反，要從高的能級軌道移動到低的能級軌道，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

當一束光朝著一個物質移動并與之相互作用時，只會發生下面三種情況之中的一種：

1. 該物質吸收了光。當光將其能量交給位于材料中的電子時，就會發生這種情況。有了這些額外的能量，電子就能移動到更高的能級，而光就會消失。
2. 該物質反射光。為此，光將其能量釋放給材料，但會發射出具有相同能量的光。
3. 該物質允許光不變地通過。之所以稱為通過，是因為光不與任何電子相互作用，并繼續向前直到與另一個物體相互作用。

玻璃明顯是屬于第三類情形。光能夠穿越玻璃是因為光沒有充足的能量來把玻璃里的電子激發到更高的軌道中。科學家經常用能帶理論來描述這種現象，能帶理論認為能級在一個被稱為能帶的區域中同時存在。在能量帶中間是一個被稱為帶間隙的地方，這些地方的電子能級是沒有的。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，才能從一個能帶跳到另一個能帶再返回。

可見光的波長是四百至七百納米，它們對應藍、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致這種能級跳躍。因為可見光會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，這就會使得這部分光擁有足夠的能量來把玻璃的電子從一個能級躍遷到另一個能級。例如，波長在十到四百納米之間的紫外線不能穿透大多數的氧化物玻璃。這使得窗戶對紫外線來說是不再透明的了，就像鐵對可見光不透明一樣，所以太陽在經過玻璃再照射到我們的皮膚時，我們是不用擔心被曬黑的。

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