为何玻璃透明而铁不透明？

什么是透明？

当我们说某物是透明的时，这意味着光可以通过它而不会受到影响（至少在很大程度上）。通常的物体是不透明的，这意味着它们会阻挡光线，光线将无法穿过它们。这就是为什么我们可以看到它们的原因，因为光线会反射它们并到达我们的眼睛。

但是透明的物体不是这样的，它们只反射很少的光线，因此很难看到它们。这是一种独特的性质，可以用于很多事情。例如，如果我们能够使它以正确的方式通过，并且可以将光“弯曲”到我们想要的位置，这就是眼镜的工作原理。

在更深的量子世界（在亚原子范围内）中透明意味着光（光子）穿过原子而不会接触或影响原子。在亚原子水平上，如果原子是一个足球场，则中心的豌豆将是原子核，电子相当于是观众席上的盐粒。原子内的大多数空间都是空的。透明的物质必须允许光子通过原子的内部而不与原子核和电子发生相互作用。

为什么铁是不透明的？

我们在这里需要问的真正问题是， 为什么不是所有物体都透明？让我们再次进入量子世界对此进行解释。

实际上，原子并不像我们在书中学习的那样。电子不总是在一个轨道上，他们会在不同的轨道上不断跳动。这是因为不同的轨道具有不同的“能量水平”。基本上，电子需要更多的能量才能跃升到更高的能级，高层轨道的电子具有更多的能量。电子只有在吸收了能量才能跳到更高的轨道，由于仍然未知的原因，它们随后便会下降到较低的能量水平。

图注:铁片是不透明的

但是有一个问题！电子只能吸收特定量的特定类型的能量才能跳到更高的轨道，这个特定的量是指具有特定能量（频率）的光。

所以，铁不是透明的是因为铁原子的电子能够吸收可见光频率阶段的光子能量而发生电子的跃迁。由于光子被吸收了，这意味着光子将无法继续传播，因此铁会阻挡光线，从而显示出不透明的性质。

玻璃的构成成分

玻璃是我们的日常生活中常用到的易碎且透明的硬质材料。它主要由沙子（硅酸盐，SiO2）和碱组成。

这些材料在高温（即熔融粘稠状态）下融合在一起。然后将它们迅速冷却以形成刚性结构，但是它们没有足够的时间形成结晶结构。

图注:二氧化硅的结构图

根据不同的用途，玻璃的组成和冷却速度将有所变化，以实现特定的性能。下面这些是玻璃的常见成分：

1. 砂（SiO2二氧化硅） 以纯净形式作为聚合物（SiO2）n存在。
2. 苏打水（碳酸钠Na2CO3） 会使SiO2软化，然后开始降解（在1713°C时，大多数分子已经可以自由移动了）。添加苏打水会将熔点降低至1000°C，使其更易于操作。
3. 石灰石（碳酸钙或）或白云石（MgCO3）也称为石灰，天然的碳酸钙为石灰石，大理石或白垩。苏打水使玻璃具有水溶性、柔软且不十分耐用，因此，加入石灰是为了增加了玻璃的硬度和化学耐久性以及材料的不溶性。
4. 除此之外，还可以添加其他材料和氧化物以提高性能（着色，耐用性等），产生不同的效果，颜色等。

玻璃的主要性能

这些是玻璃的主要特征：

• 是坚硬的材料。
• 具有无序和无定形结构。
• 易碎。
• 对可见光透明。
• 是惰性和无生物活性的材料。
• 由于其成分和特性，玻璃可100％回收利用，是最安全的包装材料之一。
  

图注:用玻璃制作的水杯是透明的。

玻璃用于建筑应用、照明、电气传输、科学研究仪器、光学仪器、家用工具甚至纺织品。玻璃不会变质，腐蚀，变色或褪色，因此是最安全的包装材料之一。

玻璃的类型

玻璃的主要类型如下：

一、钠钙玻璃

这是最常见的商用玻璃，钠钙玻璃的成分通常为60-75％的二氧化硅，12-18％的苏打水和5-12％的石灰。可以添加低百分比的其他材料以实现特定的属性，例如着色，下面是钠钙玻璃的特点:

• 具有透光性，适合在窗户的平板玻璃中使用。
• 它具有光滑无孔的表面，使玻璃瓶和包装玻璃易于清洗。
• 钠钙玻璃容器实际上是惰性的，可抵抗水溶液的化学侵蚀，因此不会污染内部溶液或影响味道。
• 纯玻璃SiO2不会吸收紫外线，而钠钙玻璃则不允许波长小于400 nm的光（紫外线）通过。
• 钠钙玻璃的缺点是不能抵抗高温和突然的热变化。例如，当在高温下倒入液体以泡茶时，相信每个人都会遇到玻璃破裂的情况。
• 钠钙玻璃的某些用途主要用于瓶子，广口瓶，日常水杯和窗户玻璃。
  

图注:玻璃门

二、铅玻璃

铅玻璃由54-65％的SiO2，18-38％的氧化铅（PbO），13-15％的苏打（Na2O）或钾盐（K2）以及各种其他氧化物组成。当PbO的含量小于18％时，被称为晶体玻璃。下面是铅玻璃的特点:

• 适量的铅增加了铅玻璃的耐用性。
• 大量添加铅会降低熔点并降低硬度，形成柔软的表面。
• 此外，它具有高折射率，可提供高亮度玻璃。
• 具有高氧化铅含量（即65％）的玻璃可用作辐射屏蔽玻璃，因为铅吸收了伽马射线和其他形式的有害辐射，例如用于核工业。
• 与钠钙玻璃一样，铅玻璃不能承受高温或温度的突然变化。

三、硼硅酸盐玻璃

硼硅酸盐玻璃主要由二氧化硅（70-80％），氧化硼B2O3（7-13％）和少量的碱金属（钠和钾的氧化物），例如Na2O和K2O的4-8％和 2-7％氧化铝（Al2O3）组成。

因为硼对热变化和化学腐蚀具有更大的抵抗力，所以它适用于工业化工厂、实验室、制药行业、大功率照明器材的灯泡等，硼硅酸盐玻璃还用于家庭烹饪板和其他耐热产品。它用于家用厨房和化学实验室，这是因为它具有更好的抗热冲击能力，并且在进行加热和冷却实验时，在实验室测量中具有更高的精度。

图注:用硼硅酸盐制作的玻璃仪器

为什么玻璃是透明的？

我们可以回顾一下上面的内容，因为电子会有的不相同的能级轨道，要从低的能级轨道移动到高的能级轨道，电子就须要获得光的能量。与此相反，要从高的能级轨道移动到低的能级轨道，电子则需要丢弃一部分能量。不管是哪种情况，电子都只能通过离散束的方式获取或释放它的能量。

图注:电子的跃迁示意图

当一束光朝着一个物质移动并与之相互作用时，只会发生下面三种情况之中的一种：

1. 该物质吸收了光。当光将其能量交给位于材料中的电子时，就会发生这种情况。有了这些额外的能量，电子就能移动到更高的能级，而光就会消失。
2. 该物质反射光。为此，光将其能量释放给材料，但会发射出具有相同能量的光。
3. 该物质允许光不变地通过。之所以称为通过，是因为光不与任何电子相互作用，并继续向前直到与另一个物体相互作用。

玻璃明显是属于第三类情形。光能够穿越玻璃是因为光没有充足的能量来把玻璃里的电子激发到更高的轨道中。科学家经常用能带理论来描述这种现象，能带理论认为能级在一个被称为能带的区域中同时存在。在能量带中间是一个被称为带间隙的地方，这些地方的电子能级是没有的。某些物体的带间隙比另一些材料的带间隙大，恰巧玻璃就是这些带间隙大的材料之一，这意味着玻璃中的电子需要更多的能量，才能从一个能带跳到另一个能带再返回。

可见光的波长是四百至七百纳米，它们对应蓝、靛、橙、绿、紫、黄和红七种颜色，所以可见光根本没有足够的能量导致这种能级跳跃。因为可见光会直接穿越玻璃而没有被吸收，所以玻璃便显示出透明的特性。

图注:可见光的频率范围

然而，如果光的波长小于可见光，这就会使得这部分光拥有足够的能量来把玻璃的电子从一个能级跃迁到另一个能级。例如，波长在十到四百纳米之间的紫外线不能穿透大多数的氧化物玻璃。这使得窗户对紫外线来说是不再透明的了，就像铁对可见光不透明一样，所以太阳在经过玻璃再照射到我们的皮肤时，我们是不用担心被晒黑的。

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