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玻璃为什么是透明的?

玻璃实在是太常见了,以至于大多数人都想当然地认为它本来就应该是那个样子的。但究竟玻璃为什么是透明的呢?为什么我们可以透过玻璃窗看到外面,而不是透过四周的木窗框呢?   您可能已经注意到,大多数液体和气体都是透明的。水、食用油、外用酒精、空气和天然气等等都是透明的。那是因为固体、液体和气体之间有着根本的不同。当一种物质呈固态时,分子之间的排列通常都整齐有序,彼此的联结也十分牢固,因此物质也就非常坚硬。当物质从固态转化为液态时,分子间的联结强度降低,分子开始呈随机状态排列。而在物质汽化的过程中,您会发现分子间的联结强度大幅减弱,分子的排列完全呈随机状态。                       这种分子从有序排列到随机排列的过程,就是光可以透过液体和气体的最根本的原因。在大多数固体中,分子都排列得像是一层层整齐紧密的砖块,因此光波无法从中透过。所以当照射到这样的物质上时,光波会被反射、散射或吸收——一般来说,这三种情况会同时发生。但是当物质变成液态或气态时,分子排列不再整齐,部分光波就可以从缝隙或孔洞中穿过。物质中的分子排列越是无序,光线就越容易穿过。   另一个影响因素发生在亚原子级水平上。组成任何物质的分子都是由许多原子结合在一起而构成的,这些原子通常带有很多电子。当光子与这些电子发生作用时,可能会发生以下情况:   电子吸收光子的能量并将其转化为其他形式(通常是转化为热能) 电子吸收并保存光子的能量(这样会引起发光现象,储能时间较短时称为荧光,储能时间较长时称为磷光) 电子吸收光子的能量并将其沿入射方向发射回去(反射) 电子不吸收光子的能量时,光子继续沿其路径传播(透过)   绝大多数情况下,以上四种情况在光线照射物体时会同时发生。不同种材料中的电子吸收能量的范围不同。例如,许多玻璃都可阻挡紫外线(UV)。这是因为,玻璃中的电子吸收了紫外线中光子的能量,但并未吸收可见光中较弱的光子能量。如果电子吸收了可见光中的任何一部分能量,那么透过的光都会带有颜色,具体取决于吸收的是哪一种光。事实上,任何物体的颜色都是由该物质中电子所吸收的光子的能级决定的。               尽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种人造物质。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,这种原料就像海滩上随处可见的沙子一样普遍。 对原料进行高温加热,直至其融化为液态,然后再冷却。 得到的物质具有像液体一样随机排列的分子结构,同时保留了强力的联结和固体那样的硬度。上述是一个简化了的流程。现实中通常还会在其中加入可加快硅石融化的物质,以及使玻璃更坚固而不易碎的原料。对温度、加热时间和冷却方法的要求都十分严格。   在玻璃制造中用作冷却剂的材料可使分子的排列呈无序状态(像液体一样),其所含电子不吸收可见光的光子能量。这就是为什么同样是固体,但玻璃透明而木头、金属和石头等都不透明的道理。   另一种类似的制造方法称为淬火,用于生产透明或半透明的塑料产品。淬火可使塑料中的聚合物(长链分子)以一种无规则的形式排列,使光线能够透过。该工艺亦可应用于有机物质。透明或半透明糖果的制造过程为:将配方原料加热,然后快速冷却。   请注意,透明的玻璃、塑料和糖果都是融化后冷却而形成的固体。它们具有相同的工艺流程。   有成千上万的物质可以用于制造不同类型的玻璃。所能透过的光线的数量及种类取决于所用物质的类型和纯度。高纯度的硅石透光性非常好,只有极少量的光波会被吸收,但通常会有一部分被反射。您所见到的玻璃窗几乎都是这样。   其他用于制造玻璃的材料可透过或阻挡特定类型的光,如紫外线甚或部分可见光。您可能见到过黑色或其他一些不透明颜色的玻璃。通常,出现这些颜色都是由于悬浮在玻璃当中的微小颗粒的存在,作用和某些液体或气体当中的杂质一样。玻璃的属性也可以通过其他方法来改变,例如滤去某种特定波长的光。制造这种玻璃时,应让冷却的速度足够慢,以使分子部分结晶或形成一定结构。还有一些材料因其便于塑型且具有良好的透射和/或折射性能而被用来制造玻璃,用于眼镜镜片和放大镜等产品中。
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