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为什么玻璃是透明的?金刚石也是透明的吗?优质

634次浏览| 2022-07-29 18:57:34 更新
来源:互联网
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首先,光是电磁波的一种,是波长介于390纳米到750纳米之间的电磁波。我们通常意义上说的透明不透明,都是局限于这个波段的。事实上,你看上去透明的东西,对于超出这个波段的电磁波,就不一定是透明的,反之亦然。举个例子,X光就是波长很短的光,连人体也可以穿透,大部分物质对x光来说都是透明的。那么,什么决定了物质对光的作用呢,因素很多,最基本的就是物质的电子结构。我们知道物质原子是由原子核和电子构成的,实际上电子很活泼,可以吸收光子从而增加自己的能量。光一旦被吸收,这个物质就表现为不透明了。但也并不是什么光都吸收的,具体的选择是由量子力学规律所决定的。这其中涉及到固体物理学的基本原理,包括固体的能带结构和带间跃迁,带内跃迁等等。这里就无法展开叙述了。这样我们也就知道,为什么有些物质是透明的。比如玻璃等等,其电子由于量子力学限制无法吸收可见光,所以光线就直接穿透过去,因而呈现透明状。但是,玻璃也并不是永远透明的,比如说对于某些红外和紫外光线,玻璃就是不透明的,因为那些光线玻璃可以吸收。另一个例子就是硅,半导体硅晶片是黑色的,因为可见光会被吸收,但是硅对大部分红外线都是透明的,可以替代玻璃。金属是一类特殊的例子。其电子结构与上面提到的大部分物质不同,存在着大量可以到处乱跑的自由电子(这也就是为什么金属可以导电),所以对光的作用也不同。这些自由电子构成一片电子海洋,一般称为plasma。Plasma可以有效地反射电磁波。所以金属就表现出对光线的良好反射,可以用来作镜子。更多的物质并不是简单的均匀材质,而是大量小颗粒的杂乱堆砌,这样就会造成对光的无序散射,外在表现就是这种物质也不透明。比如岩石,木头,纸张,墙上的涂料等等。限于篇幅,很多细节就无法一一展开了,如果大家对某类物质有特别的兴趣,我们可以专门讨论。

物质是透明的本质是光线可以穿透。首先大部分物质即使吸光度很强只要足够薄都可以是透明的,比如单层石墨烯。对于大多数金属来说,由于最高占据轨道和最低未占据轨道的能级间隔为0, 因此对于大部分的光线都有很好的吸收。光被吸收之后,激发的光电子跃迁回去,发出不同波段的光,金属看上去就有不同的颜色。但是因为对光的吸收好所以透射率就低,光线无法穿透,导致金属不是透明的。如果是玻璃的话,因为最高占据轨道和最低未占据轨道存在能级差, 因此只对能量足够高能够越过这一能垒的光子有吸收,因此对于红外和可见光范围内的光子的吸收较差,这部分光能够很好的穿透材料,所以玻璃就是透明的,但是玻璃对紫外的吸收较强。 物质透不透明还和其他的原因有关,比如光子在原子层内受到的散射和反射,光子即使不被吸收,也是可以被反射的,这样同样会导致透射率变差。或者晶体内有大量的缺陷,或者有相变导致的折射率的变化,同样能使原本透明的物质变得不透明。

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第一类是由于自由电子的阻挡作用导致的不透明。这是金属不透明的原因。

第二类是由于存在能吸收光线的物质导致的不透明。这类物质的分子中的电子激发能比较低,恰好在可见光范围内,如分子里有苯环、苯醌、联苯胺或其他共轭体系的结构,这种结构可以降低电子的激发能,使电子容易发生跃迁而吸收光子的能量。这种情况下,光线被吸收或部分吸收了。

第三类是由于透明物质的结构被破坏而导致的不透明。如玻璃是透明的,而玻璃粉则是不透明的;冰是透明的,而被砸碎的冰就不透明了。如果一种物质的结构特点不符合前两类,那它就是可以通过光线的,但如果它的结构里有很多小空隙,那它就是白色的。这就是白色物体不透明的原因。

第四类是前三类原因混合的结果。现实中的许多物体的不透明都是这个原因造成的。

任何能传导可见光的物质都是透明的,即物质中的电子不吸收光能,光波能不受干扰地穿过。要是物质中的电子能吸收光能,物质就不是透明的了。

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