玻璃為什麼會透明?(從三態透明談起)

前言
     在光學領域,透明度 (transparency) 指的是允許光沒有散射 (scatter) 而穿透物質。當光接觸到一個物質,會有多種交互作用。依據光的波長與物質的本性,會有不同交互作用。光子通常和物質互撞產生反射,吸收和穿透。有些物質允許大部分的光穿透,而僅有部分反射,例如玻璃,這些被稱之為光學透明的物質。不能允許光通過的物質稱為不透明的 (opaque) 物質,這些物質中許多包含吸收中心 (absorption centers)。一般物質可以選擇性的吸收可見光的某些頻率,反射其他頻率。不被吸收的光則被我們所觀測到,造成顏色。


一、從結構進行分析
1. 從固液氣三態分析
        大多數的液體和氣體,都是透明的。而固體大多是有顏色的,為什麼?從結構上來看,當一個物質為固態時,其原子間排列緊密,形成規則的晶格,原子間鍵結強而有力。當物質經過加熱,從固態慢慢轉到液態,再轉到氣態,其能量增加,慢慢克服了原本相互束縛的鍵結,開始脫離原本的晶格,到處亂跑。此時分子間吸引力減弱,分子間隨機排列。
     緊密的排列和隨機排列,就是造成物體是否透明的關鍵差異。當原子緊密地排列,光線無法從中穿透,進而造成反射、散射或吸收。當原子隨機排列時,部分光線可以從隙縫中穿透。

2. 單純分析固體
     同樣是固體,有的規則排列形成晶體,當固體中有的因為原子和分子很規則的排列,而形成結晶,所以射進結晶的光線,除特定波長的光線以外,不被吸收而直接通過。像石英與水晶之類就是。
     有些固體即使是結晶體的構造,但排列混亂加上晶格缺陷 (lattice defect,構成結晶體的原子有缺陷) 與夾雜著不純物之原子。入射光在這樣的的固體內部會不斷產生反射和折射,而阻礙了光線的通過。例如木頭,水泥牆。


3. 分析玻璃
     玻璃與晶體材料有何不同?晶體材料的原子為排列規則;玻璃為非晶體固體,其原子隨機地排列。晶體材料為固態,在達到特定溫度時時才會變成流體。但所有的玻璃,均為流體。
     所以玻璃為什麼是透明的?可以回到第一點討論,因為其屬於流體,原子隨機排列,光線可以從隙縫中穿透。

二、電子與原子層面

1. 電子層面
     就電子層面來看,吸收光譜上的紫外光和可見光主要依據為電子軌域的電子是否能接受特定頻率的光子。大多的玻璃中,可見光的光子無法提供足夠的能量給 予其電子,這表示純的玻璃無法吸收可見光,使他為透明。(換言之,玻璃的電子能階較高,電子需要吸收較高的能量才可以被激發,例如紫外光,可見光的能量太低,無法被電子吸收。因此玻璃可用來阻擋紫外光)
     當光線照於某物體,而入射光的能量可以讓物體的電子能階提升,電子將會吸收光能,提升到另一軌域。接下來可能發生
a. 電子吸收光子的全部能量,並將其以不同頻率釋放(不同顏色)。此為冷光(luminescence), 螢光 (fluorescence) 與 磷光 (phosphorescence) 的原理。
b. 電子吸收光子的能量,再將它全部以相同方式釋放出。造成反射或散射。
c. 電子選擇性地吸收的光子的一部分光能,其餘頻率光已的光譜顏色的形式傳遞。
d. 電子不能吸收光子的能量,光子依自己的路徑前進。此為透射 (transmission)。
    電子吸收光子能量後,達到激發態,可能將能量以其他方式釋出,例如熱,或以輻射能的形式釋出,也可能電子離開原子。

2. 原子層面
    從原子或分子層面來看,光譜紅外光部分的物理吸收和原子或分子的震動頻率與化學鍵有關。氮氣與氧氣不會造成溫室效應,即是因為其光線的吸收因為缺少分子偶極矩而被阻斷。

總結
     玻璃為流體結構,非晶體結構,且其軌域上的電子要躍遷到較高軌域需要吸收較高能的光子,例如紫外光,可見光能量過低,電子無法吸收其能量。

Ref:
1. http://www.rayotek.com/techincal_info_glass_sapphire.htm
2. http://en.wikipedia.org/wiki/Transparency_and_translucency#Absorption_of_light_in_solids
3.http://www.nsc.gov.tw/scitechvista/zh-tw/Audio/C/0/10/6/29.htm

附註:wiki有部分地方寫錯,請小心服用。



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