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第6章 为什么玻璃是透明的?

我们看不到一根木头、一片铝或一大块乳酪后面的东西,但却能透过玻璃看到东西。制作窗户的材料采用玻璃而不是橡木、锡纸或切达干酪,就是这个原因。

可见光可以在真空中没有阻碍地快速传播。当遇到固体时,光的传播会遭到有坚固结构分子的阻碍。光能否穿过固体,取决于它自身的频率(当光线照射入固体后,遇到的是组成坚硬分子结构的一个又一个分子)。然而,一些看起来如同空气一样透明的固体,例如玻璃,阳光能够透过玻璃窗洒进并照亮室内,这是为什么呢?

上面这些问题都归结为一个答案,即物体中的原子如何影响光量子。物体是由原子组成的,原子是由原子核和核外电子组成的,一群原子结合在一起称为分子。在物体中,分子之间相互吸引——它们粘合在一起,让物体(比如木头块)呈现出特定的形状。不过,即使是牢固的固体分子,也还是会振动,甚至会旋转。

一般情况下,原子的“基态”状态是:在可能的最低能级下,电子紧紧围绕着原子核运动。这个时候,绝大多数电子依然能够围绕着原子核运动,而不是飞离轨道到未知的地方。在“基态”和“电离能级”之间,电子能够以中等能级状态绕原子核转动。

原理如下:每个原子(氧、钠等)的电子都有固定的能级(有点像拥有三个明亮等级的电灯),没有中等能级状态。因此可以说一个电子在4或5能级下运转,而不是说成4.2或5.1。

电子能够吸收和散发光量子。光量子是一束束微小的、可测量的电磁能。所以,电子吸收光量子能够提高到新的能级,而丢失光量子则能够降低到另外一个能级。

在玻璃分子中,原子里的电子从太阳吸收能量最高的紫外线的光量子,因为紫外线光量子的特殊能量刚好适合玻璃中电子能级的提升。这就是为什么我们坐在关闭的车窗里面很难被晒黑的原因。玻璃分子在吸收阳光红外线辐射的时候,也会开始抖动并碰撞。这就是为什么车窗摸起来很热的原因。

可是,玻璃中“饥饿”的电子并不能恰好吸收阳光所有的能量。所以,玻璃分子要反射出去一部分可见光,这就是我们能够看到光滑的玻璃表面的原因。不过,大部分的可见光都会透过玻璃,传播到玻璃的另一侧。

根据美国弗吉尼亚大学的物理学家路易斯·布洛姆菲尔德的说法,玻璃中的电子与光量子“玩”一会儿后,便会让光量子继续走自己的路去了。光量子短暂地被吸收后,又跑出来走掉了,实际上是从玻璃的一个原子传播到另一个原子。所以,尽管玻璃看起来是透明的,但是实际上里面的很多东西都可以看到。

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