我們的世界是美好的,似乎一切都是理所當然的,因此,有時候我們根本不會考慮世界的結構。然而,在現實中,有些看似很簡單的事物和現象可能變得如此複雜,例如,為什麼水是溼潤的?為什麼天是藍的?什麼是電呢?為什麼玻璃是透明的,而一張紙板卻不透明呢?
的確,當光的密度比紙板的密度高得多時,那光是如何穿過玻璃的呢?然而,這不僅適用於玻璃,也適用於其他材料和物質(如水)、氣體和某些聚合物。
當然,要想解開這個謎團的話,那你就必須深入到微觀世界。由於某些我們現在還無法觸及到的原因,所以某些東西是我們不能被看到的或者被感覺到的,它只能以數學的方式來進行描述。這是一項相當艱巨的任務,但我們不會解決它,相反,我們會努力把難以理解的物理和數學語言轉化為可以想像的簡單圖像。
如你所知,我們周圍所有的物體都是由原子組成的,而這些原子又形成了分子,進而組成了一堆複雜的物質。原子是一個相當簡單的單元,它是由基本粒子組成的,即:帶正電的原子核(質子和中子)和圍繞它旋轉的電子組成的。
由於光不僅具有粒子的性質,而且還具有波的性質,所以一切都變得更複雜了
儘管如此,但我們仍可以以球的形式來表現這兩者。例如,當你把一束光照射到一張紙板上時,光子球就會「撞擊」物質中的原子,並像球一樣從物質上反彈。
相反,它們從圍繞原子核旋轉的電子中反彈回來,原子核在「接收」到額外的光子能量之後,可以移動到更高的軌道。然而,後者是非常不穩定的,很快,電子就會回到它們熟悉的地方。在這種情況下,電子以相同光子的形式返回到接收能量的剩餘部分,該光子會立即與另一個電子發生碰撞。最終,光子消耗了它的能量,也就是說,它被吸收了。結果,沒有任何東西可以穿過紙板,所以在我們看來,它似乎是不透明的。
但是,在一張玻璃上不也有同樣的電子嗎?如果有,為什麼它們不反射飛向它們的光子呢?
從前面的例子我們可以看出,光子不能通過物質,除非它設法將電子推向「遙遠」的軌道,消耗其能量並被吸收。但關鍵在於,不同物質的原子具有不同的、嚴格地確定性軌道,光子可能根本就沒有足夠的能量將一個電子拋向它。這樣的光子就不會將精力花費在「無用的」工作上,而只是飛過罷了。
因此,玻璃的透明性之謎也不過如此。透明物質中的原子,其能量軌道離原子核較遠,可見光光子的能量不足以使其與電子相互作用。
一般而言,透明度是一個相對的概念。例如,如果我們只在紫外光下看的話,那麼最純淨、最透明的玻璃對我們來說似乎就不是那麼透明了,這一切都是因為具有更高能量的紫外線光子會與玻璃中的電子進入,並被它們吸收掉了。