普通瓷器透光吗(瓷器透光好还是不透光好)

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巴黎圣母院的一场大火,让它那些巨大且古老的玫瑰花窗重新进入了公众关注的视野。许多人在关注这些文化瑰宝命运的同时,也萌生出许多疑问,为什么欧洲人这么早就发现了玻璃?为什么同样是固体,玻璃能透光,其它许多东西就不能透光?这其中到底有哪些科学道理?

本文就物质透光的原理、以及透光率会受哪些因素的影响做一些简要分析,为大家解开光的谜题。

关于玻璃和金属透光问题的探讨

巴黎圣母院巨大美丽的玫瑰花窗

在我们周围的自然界有许多透光的物质:空气、水、玻璃、某些陶瓷、塑料等等,甚至你拿一个强光电筒照射自己的手掌,也能从另一面看到红色的光,这意味着连我们的身体也是半透光的。

但还是有更多的东西似乎不能被光线穿过,比如说金属、石头、混凝土、某些塑料、我们的木头桌面以及摆在桌上的书等等,它们可以阻挡住光线。

为什么同样是物质,同样是由原子构成,有些东西可以很容易被光线穿过,而另一些就能阻挡住光线呢?要想了解这些,我们首先要知道什么是光,它有哪些特性。

光是宇宙中最显著的存在,可以说有宇宙就有光。无论人类是否存在,无论我们是否看见,光始终在宇宙中产生并穿行,直到永远。

光是光子,同时又是电磁波,科学家将光的这种特性称为“波粒二象性”。波粒二象性是量子力学的一个概念,鉴于量子力学非常高深,经常不为普通人所理解,因此本文不会过多着墨,我们将仅根据这个原理所表现出的部分现象来解释光与透明度的关系。

关于玻璃和金属透光问题的探讨

光“波粒二象性”可视化图形表示,只上图,不解释

既然光是电磁波,那么它就有不同的频率和波长。无论是太阳光、星光还是其它物质发出的光,它都包含了许多不同频率和波长,我们称之为光谱。这个光谱可以很宽,但我们人类肉眼能看见的只有其中极小的一部分光谱,这部分光谱的光我们称之为可见光。

可见光的波长一般在380~780nm之间,其频率范围大约为4.2×10^14~7.8×10^14Hz。比这个波段波长更短的紫外光以及比它更长的红外线光,都是我们人眼看不见的。

相对的透明

当我们仰望天空,可以看见满天的星光,我们以为大气是透明的。其实大气只是对部分波长的光透明,空气中的气体粒子会阻挡绝大部分的光。

关于玻璃和金属透光问题的探讨

地球大气阻挡了许多波长的光,只对7.5cm-15m波长的光完全透明

从上图我们可以看到,大气层会阻挡相当多的紫色光和紫外线,但它不能阻挡全部的紫外线。而我们的窗户玻璃对紫外线也几乎是不透明的。大气层阻挡了X射线,使地球上的生命受到了保护。

为什么会出现这种情况?

在光学领域,透明度是材料的物理性质允许光穿过该材料而不被散射的程度。我们在前面介绍了光的波粒二象性,不同的光的波长各异,这些光还同时拥有着不同的频率。材料的分子性质与结构不同,它对不同波长的吸收就不同,空气中的分子会吸收100nm以内的短波电磁波能量,而对7.5cm-15m的长波完全透明,这就是由大气中物质特性所决定的。空气中物质的原子会吸收一定波长光子的能量,并把它转化成自己的内能(比如热能),从而使得这个波长的光波能量受到衰减。

为什么天空和大海是蓝色的?

这是许多孩子喜欢提出的问题,而我们大人对于这个问题的解答却常常是错误的。真实的原因是,空气分子和水分子对380-480nm波长的光产生强烈的漫射,而对波长更长的光谱则予以放行,于是蓝色光和紫色光在大气和水分子间来回反弹。我们人眼对蓝色光更加敏感,看到天空和大海就都是蔚蓝的颜色了。

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天空和大海的蓝色,是它们对不同波长光吸收与漫射的结果

玻璃的特性

自然界的玻璃通常是闪电的高温熔融了石英沙,或是炙热火山将长英质的熔岩挤出来凝成黑曜石。第一块人造的玻璃据说产自美索不达米亚或古埃及文明,然后慢慢流传到亚洲和欧洲。

玻璃是固体。普通的玻璃主要由二氧化硅、氧化钠、石灰、氧化铝等多种物质经高温熔融后得到的透明混合体,不同种类的玻璃由不同的化学物质组成,它们呈现出许多不同的特性,有的很耐摔耐磨,有的很耐热,有的可以拉成细长的丝,有的透光率极高。但总体来说玻璃有一个共同的特性就是透光。

关于玻璃和金属透光问题的探讨

一个玻璃放大镜中的倒影

玻璃透光,因为它是非晶体。 是不是有点不可思议?我们平时所见的晶莹剔透的玻璃居然不是晶体!但事实的确如此。玻璃的分子结构是不确定的。由于化学键合的特性,玻璃的原子结构缺乏在结晶固体中观察到的长程周期性,它是一种无定型固体。

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二氧化硅分子排序的无定型结构

虽然玻璃呈现出固体形态,它坚硬且脆,但从分子结构上与液体相近,所以科学家们认为玻璃事实上是在常温下流动极慢的一种液体。从这个角度看,不管是哪种玻璃,随着时间的流逝,它总是会变形的,只不过时间久一些罢了。

玻璃分子间化学键合的特征决定了它容易被可见光光波穿透,就像是光穿过空气和水一样。

半透明的物体

我们这里说的半透明是指对可见光的半透明。除玻璃外,我们大部分的固体无机物质都是由单晶或多晶体构成。

像石英、蓝宝石这类的单晶体,只要它们的内部没有杂质,它就是透明的。而对于其它大多数非金属固体来说,它们是由许多分子键合的晶体结合而成,由于光在这些晶体晶界间复杂的漫反射关系,对外常常呈现半透明的状态

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光在固体内部晶界间的漫反射机制

经常有人认为石头是不透明的,事实上你如果将一块石头切成薄片,就能发现它实际也是半透明的固体。

为什么金属不透明?

本文的开头提到了铝是不透明金属,它的密度与玻璃的密度相仿,铝的密度为2.7g/cm3,而玻璃因其化学成分的不同其密度约在2.5-3.8g/cm3之间。

玻璃之所以能透光是因为它属于非晶体,看起来固体是否透光与其密度没有必然联系。事实上比铝密度更低的钠(密度为0.968g/cm3)和锂(密度为0.534g/cm3)也不透光,其它的金属全都不能被可见光穿透

金属会吸收一部分电磁波并将其能量转化为内能,同时将绝大部分可见光反射出去。新的铝箔可以反射92%的可见光,更可以把多达98%的远红外光反射出去。金属拥有这种特性,主要因为它们是导电的晶体。

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铝的光泽是其表面电子层反射光谱的体现

我们知道金属拥有良好的导电性能,这缘于其外层有一个到数个自由电子

以铝为例:

铝原子有13个电子,它的最外层有3个自由电子,在许多化学反应中,铝可以相对容易地放弃这3个最外层的电子。单独一个铝原子的半径是143皮米(pm),在去除了三个最外层电子的情况下,对于4-配位原子,半径缩小到39 pm,对于6配位原子,半径缩小到53.5 pm。在标准温度和压力下,铝原子(当不受其他元素原子影响时)形成面心立方晶系,由原子最外层电子提供的金属键结合。

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铝的面心立方晶体结构

铝在形成结晶之后,它的外面多出来许多自由电子,这些自由电子尽管受到原子核及金属键力的影响还呆在原位,但它们是容易失去的,在金属铝的表面,这些自由电子构成了一片“海洋”

光是电磁波,光子兼具电和磁场的效应,当光子与金属表面碰撞后,其电场会激发金属表面的电子,使其发生弹性响应(这种响应属于量子力学范畴),结果是光子大多数被反射出去,只有极少数光谱光子被吸收。不同金属对相应频率光吸收率和反射率的不同,使它们显现出不同的颜色。

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铝Al、银Ag和金Au的光垂直反射率曲线

总结:

虽然玻璃与铝同属于固体,密度相近,甚至玻璃比铝更坚硬,但玻璃由于其分子结构不定型,所以玻璃像水和空气一样很容易被可见光光线穿透,我们看玻璃是透明的

有些玻璃看起来显示出丰富的色彩,像巴黎圣母院的玫瑰花窗或艺术花瓶,那是制作工匠们向里边掺杂了各种杂质产生的光线漫射效果。

关于玻璃和金属透光问题的探讨

美丽的艺术花瓶,这是玻璃中加入其它化学物质产生的光线漫射效果

而对于铝这样的金属,由于其原子核最外层自由电子间构成金属键,使金属表面形成一片电子海洋,电子层阻挡了大部分光子的入侵并且反射它们,因此即使有些金属的密度很低,光线也不能穿过它们。

你能举出对可见光线透明金属的例子吗?


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