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玻璃為什么是透明的?

玻璃實在是太常見了,以至于大多數人都想當然地認為它本來就應該是那個樣子的。但究竟玻璃為什么是透明的呢?為什么我們可以透過玻璃窗看到外面,而不是透過四周的木窗框呢?   您可能已經注意到,大多數液體和氣體都是透明的。水、食用油、外用酒精、空氣和天然氣等等都是透明的。那是因為固體、液體和氣體之間有著根本的不同。當一種物質呈固態時,分子之間的排列通常都整齊有序,彼此的聯結也十分牢固,因此物質也就非常堅硬。當物質從固態轉化為液態時,分子間的聯結強度降低,分子開始呈隨機狀態排列。而在物質汽化的過程中,您會發現分子間的聯結強度大幅減弱,分子的排列完全呈隨機狀態。                       這種分子從有序排列到隨機排列的過程,就是光可以透過液體和氣體的最根本的原因。在大多數固體中,分子都排列得像是一層層整齊緊密的磚塊,因此光波無法從中透過。所以當照射到這樣的物質上時,光波會被反射、散射或吸收——一般來說,這三種情況會同時發生。但是當物質變成液態或氣態時,分子排列不再整齊,部分光波就可以從縫隙或孔洞中穿過。物質中的分子排列越是無序,光線就越容易穿過。   另一個影響因素發生在亞原子級水平上。組成任何物質的分子都是由許多原子結合在一起而構成的,這些原子通常帶有很多電子。當光子與這些電子發生作用時,可能會發生以下情況:   電子吸收光子的能量并將其轉化為其他形式(通常是轉化為熱能) 電子吸收并保存光子的能量(這樣會引起發光現象,儲能時間較短時稱為熒光,儲能時間較長時稱為磷光) 電子吸收光子的能量并將其沿入射方向發射回去(反射) 電子不吸收光子的能量時,光子繼續沿其路徑傳播(透過)   絕大多數情況下,以上四種情況在光線照射物體時會同時發生。不同種材料中的電子吸收能量的范圍不同。例如,許多玻璃都可阻擋紫外線(UV)。這是因為,玻璃中的電子吸收了紫外線中光子的能量,但并未吸收可見光中較弱的光子能量。如果電子吸收了可見光中的任何一部分能量,那么透過的光都會帶有顏色,具體取決于吸收的是哪一種光。事實上,任何物體的顏色都是由該物質中電子所吸收的光子的能級決定的。               盡管黑曜石或松脂石玻璃可以天然形成,但一般使用的玻璃都是一種人造物質。制造玻璃的基本方法如下:   最常用的制造玻璃的原料是硅石,這種原料就像海灘上隨處可見的沙子一樣普遍。 對原料進行高溫加熱,直至其融化為液態,然后再冷卻。 得到的物質具有像液體一樣隨機排列的分子結構,同時保留了強力的聯結和固體那樣的硬度。上述是一個簡化了的流程,F實中通常還會在其中加入可加快硅石融化的物質,以及使玻璃更堅固而不易碎的原料。對溫度、加熱時間和冷卻方法的要求都十分嚴格。   在玻璃制造中用作冷卻劑的材料可使分子的排列呈無序狀態(像液體一樣),其所含電子不吸收可見光的光子能量。這就是為什么同樣是固體,但玻璃透明而木頭、金屬和石頭等都不透明的道理。   另一種類似的制造方法稱為淬火,用于生產透明或半透明的塑料產品。淬火可使塑料中的聚合物(長鏈分子)以一種無規則的形式排列,使光線能夠透過。該工藝亦可應用于有機物質。透明或半透明糖果的制造過程為:將配方原料加熱,然后快速冷卻。   請注意,透明的玻璃、塑料和糖果都是融化后冷卻而形成的固體。它們具有相同的工藝流程。   有成千上萬的物質可以用于制造不同類型的玻璃。所能透過的光線的數量及種類取決于所用物質的類型和純度。高純度的硅石透光性非常好,只有極少量的光波會被吸收,但通常會有一部分被反射。您所見到的玻璃窗幾乎都是這樣。   其他用于制造玻璃的材料可透過或阻擋特定類型的光,如紫外線甚或部分可見光。您可能見到過黑色或其他一些不透明顏色的玻璃。通常,出現這些顏色都是由于懸浮在玻璃當中的微小顆粒的存在,作用和某些液體或氣體當中的雜質一樣。玻璃的屬性也可以通過其他方法來改變,例如濾去某種特定波長的光。制造這種玻璃時,應讓冷卻的速度足夠慢,以使分子部分結晶或形成一定結構。還有一些材料因其便于塑型且具有良好的透射和/或折射性能而被用來制造玻璃,用于眼鏡鏡片和放大鏡等產品中。
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