巴黎圣母院的一場大火，讓它那些巨大且古老的玫瑰花窗重新進入了公眾關注的視野。許多人在關注這些文化瑰寶命運的同時，也萌生出許多疑問，為什么歐洲人這么早就發現了玻璃？為什么同樣是固體，玻璃能透光，其它許多東西就不能透光？這其中到底有哪些科學道理？

本文就物質透光的原理、以及透光率會受哪些因素的影響做一些簡要分析，為大家解開光的謎題。

巴黎圣母院巨大美麗的玫瑰花窗

在我們周圍的自然界有許多透光的物質：空氣、水、玻璃、某些陶瓷、塑料等等，甚至你拿一個強光電筒照射自己的手掌，也能從另一面看到紅色的光，這意味著連我們的身體也是半透光的。

但還是有更多的東西似乎不能被光線穿過，比如說金屬、石頭、混凝土、某些塑料、我們的木頭桌面以及擺在桌上的書等等，它們可以阻擋住光線。

為什么同樣是物質，同樣是由原子構成，有些東西可以很容易被光線穿過，而另一些就能阻擋住光線呢？要想了解這些，我們首先要知道什么是光，它有哪些特性。

光是宇宙中最顯著的存在，可以說有宇宙就有光。無論人類是否存在，無論我們是否看見，光始終在宇宙中產生并穿行，直到永遠。

光是光子，同時又是電磁波，科學家將光的這種特性稱為“波粒二象性”。波粒二象性是量子力學的一個概念，鑒于量子力學非常高深，經常不為普通人所理解，因此本文不會過多著墨，我們將僅根據這個原理所表現出的部分現象來解釋光與透明度的關系。

光“波粒二象性”可視化圖形表示，只上圖，不解釋

既然光是電磁波，那么它就有不同的頻率和波長。無論是太陽光、星光還是其它物質發出的光，它都包含了許多不同頻率和波長，我們稱之為光譜。這個光譜可以很寬，但我們人類肉眼能看見的只有其中極小的一部分光譜，這部分光譜的光我們稱之為可見光。

可見光的波長一般在380～780nm之間，其頻率范圍大約為4.2×10^14～7.8×10^14Hz。比這個波段波長更短的紫外光以及比它更長的紅外線光，都是我們人眼看不見的。

當我們仰望天空，可以看見滿天的星光，我們以為大氣是透明的。其實大氣只是對部分波長的光透明，空氣中的氣體粒子會阻擋絕大部分的光。

地球大氣阻擋了許多波長的光，只對7.5cm-15m波長的光完全透明

從上圖我們可以看到，大氣層會阻擋相當多的紫色光和紫外線，但它不能阻擋全部的紫外線。而我們的窗戶玻璃對紫外線也幾乎是不透明的。大氣層阻擋了X射線，使地球上的生命受到了保護。

為什么會出現這種情況？

在光學領域，透明度是材料的物理性質允許光穿過該材料而不被散射的程度。我們在前面介紹了光的波粒二象性，不同的光的波長各異，這些光還同時擁有著不同的頻率。材料的分子性質與結構不同，它對不同波長的吸收就不同，空氣中的分子會吸收100nm以內的短波電磁波能量，而對7.5cm-15m的長波完全透明，這就是由大氣中物質特性所決定的。空氣中物質的原子會吸收一定波長光子的能量，并把它轉化成自己的內能（比如熱能），從而使得這個波長的光波能量受到衰減。

為什么天空和大海是藍色的？

這是許多孩子喜歡提出的問題，而我們大人對于這個問題的解答卻常常是錯誤的。真實的原因是，空氣分子和水分子對380-480nm波長的光產生強烈的漫射，而對波長更長的光譜則予以放行，于是藍色光和紫色光在大氣和水分子間來回反彈。我們人眼對藍色光更加敏感，看到天空和大海就都是蔚藍的顏色了。

天空和大海的藍色，是它們對不同波長光吸收與漫射的結果

自然界的玻璃通常是閃電的高溫熔融了石英沙，或是炙熱火山將長英質的熔巖擠出來凝成黑曜石。第一塊人造的玻璃據說產自美索不達米亞或古埃及文明，然后慢慢流傳到亞洲和歐洲。

玻璃是固體。普通的玻璃主要由二氧化硅、氧化鈉、石灰、氧化鋁等多種物質經高溫熔融后得到的透明混合體，不同種類的玻璃由不同的化學物質組成，它們呈現出許多不同的特性，有的很耐摔耐磨，有的很耐熱，有的可以拉成細長的絲，有的透光率極高。但總體來說玻璃有一個共同的特性就是透光。

一個玻璃放大鏡中的倒影

玻璃透光，因為它是非晶體。 是不是有點不可思議？我們平時所見的晶瑩剔透的玻璃居然不是晶體！但事實的確如此。玻璃的分子結構是不確定的。由于化學鍵合的特性，玻璃的原子結構缺乏在結晶固體中觀察到的長程周期性，它是一種無定型固體。

二氧化硅分子排序的無定型結構

雖然玻璃呈現出固體形態，它堅硬且脆，但從分子結構上與液體相近，所以科學家們認為玻璃事實上是在常溫下流動極慢的一種液體。從這個角度看，不管是哪種玻璃，隨著時間的流逝，它總是會變形的，只不過時間久一些罷了。

玻璃分子間化學鍵合的特征決定了它容易被可見光光波穿透，就像是光穿過空氣和水一樣。

我們這里說的半透明是指對可見光的半透明。除玻璃外，我們大部分的固體無機物質都是由單晶或多晶體構成。

像石英、藍寶石這類的單晶體，只要它們的內部沒有雜質，它就是透明的。而對于其它大多數非金屬固體來說，它們是由許多分子鍵合的晶體結合而成，由于光在這些晶體晶界間復雜的漫反射關系，對外常常呈現半透明的狀態。

光在固體內部晶界間的漫反射機制

經常有人認為石頭是不透明的，事實上你如果將一塊石頭切成薄片，就能發現它實際也是半透明的固體。

本文的開頭提到了鋁是不透明金屬，它的密度與玻璃的密度相仿，鋁的密度為2.7g/cm3，而玻璃因其化學成分的不同其密度約在2.5-3.8g/cm3之間。

玻璃之所以能透光是因為它屬于非晶體，看起來固體是否透光與其密度沒有必然聯系。事實上比鋁密度更低的鈉（密度為0.968g/cm3）和鋰（密度為0.534g/cm3）也不透光，其它的金屬全都不能被可見光穿透。

金屬會吸收一部分電磁波并將其能量轉化為內能，同時將絕大部分可見光反射出去。新的鋁箔可以反射92%的可見光，更可以把多達98%的遠紅外光反射出去。金屬擁有這種特性，主要因為它們是導電的晶體。

鋁的光澤是其表面電子層反射光譜的體現

我們知道金屬擁有良好的導電性能，這緣于其外層有一個到數個自由電子。

以鋁為例：

鋁原子有13個電子，它的最外層有3個自由電子，在許多化學反應中，鋁可以相對容易地放棄這3個最外層的電子。單獨一個鋁原子的半徑是143皮米（pm），在去除了三個最外層電子的情況下，對于4-配位原子，半徑縮小到39 pm，對于6配位原子，半徑縮小到53.5 pm。在標準溫度和壓力下，鋁原子（當不受其他元素原子影響時）形成面心立方晶系，由原子最外層電子提供的金屬鍵結合。

鋁的面心立方晶體結構

鋁在形成結晶之后，它的外面多出來許多自由電子，這些自由電子盡管受到原子核及金屬鍵力的影響還呆在原位，但它們是容易失去的，在金屬鋁的表面，這些自由電子構成了一片“海洋”。

光是電磁波，光子兼具電和磁場的效應，當光子與金屬表面碰撞后，其電場會激發金屬表面的電子，使其發生彈性響應（這種響應屬于量子力學范疇），結果是光子大多數被反射出去，只有極少數光譜光子被吸收。不同金屬對相應頻率光吸收率和反射率的不同，使它們顯現出不同的顏色。

鋁Al、銀Ag和金Au的光垂直反射率曲線

雖然玻璃與鋁同屬于固體，密度相近，甚至玻璃比鋁更堅硬，但玻璃由于其分子結構不定型，所以玻璃像水和空氣一樣很容易被可見光光線穿透，我們看玻璃是透明的。

有些玻璃看起來顯示出豐富的色彩，像巴黎圣母院的玫瑰花窗或藝術花瓶，那是制作工匠們向里邊摻雜了各種雜質產生的光線漫射效果。

美麗的藝術花瓶，這是玻璃中加入其它化學物質產生的光線漫射效果

而對于鋁這樣的金屬，由于其原子核最外層自由電子間構成金屬鍵，使金屬表面形成一片電子海洋，電子層阻擋了大部分光子的入侵并且反射它們，因此即使有些金屬的密度很低，光線也不能穿過它們。

你能舉出對可見光線透明金屬的例子嗎？