玻璃和沙子成分相似,但為什麼玻璃是透明的,沙子卻不是?

2021-01-19 好奇號


你撞過玻璃嗎?


撞上去之後,你是不是會想明明看著什麼都沒有呀,卻就是有玻璃?那玻璃就怎麼那樣乾淨,像沒有什麼一樣?

二氧化矽(大部分存在於石英中)是玻璃的主要成分,也是地球上最常見的一種礦物質。我們常見的小沙粒就是最細小的石英顆粒。


製作玻璃時,選用石英作為原料,再加入少許的蘇打石(碳酸鈉)幫助石英熔化,同時加入石灰石(碳酸鈣)除去其中的水分。然後加熱到1400℃,石英就會軟化成一種粘稠、透明,形狀可塑的液態物質,我們把它叫做玻璃液。最後,將玻璃液倒入不同的模具裡凝固,就能形成不同形狀的固態玻璃,如窗戶、玻璃杯等等。

就像一個班級由男生、女生組成一樣,二氧化矽則由矽原子(Si)和氧原子(O)組成。當矽原子和氧原子整整齊齊地排列時,就成了有規律的晶體結構。而矽原子和氧原子「不守紀律」地隨意排列時,就成了沒有規律的非晶體結構。其中,沙粒是一個小號的晶體二氧化矽,玻璃則是大塊的非晶體二氧化矽。

在高溫下,沙粒也能變成玻璃。當二氧化矽熔化,晶體結構瓦解,矽和氧組成的原子團開始自由地運動,固態的沙粒變成了液態的「巖漿」。如果等「巖漿」慢慢冷卻,晶體結構又能重新形成。但如果加快冷卻的速度,原子團就沒有足夠的時間來重組晶體結構,它們只會被困在之前流動到的地方。這時,液態的「巖漿」就變成了固態的非晶體玻璃,而不是晶體沙粒。

和牆壁一樣,玻璃也是固體,它也可以結實地擋在我們面前,讓我們無法接觸到它後面的東西。但玻璃卻和牆有些不同,它可以讓光線自由地穿過,而牆卻不行。你可能會說因為玻璃是透明的,但玻璃為什麼是透明的呢?

當光線與物體相遇時,有的光會反射回來;有的光被物體吸收;還有的光則會勇往直前,穿過物體,繼續前進。


被物體反射回來的那部分光線,會直接進入我們的眼睛,這時我們就知道了物體的色彩。比如,物體反射的是綠光,那麼我們看到的就是綠色的物體;被反射回來的是紅光,我們看到的則是紅色的物體……


當所有的光都被反射回來了,我們看到的物體就是白色的。如果所有的光都被物體吸收,這時便沒有光來告訴我們物體是什麼色彩,物體自然就是黑乎乎的一塊東西了。而當所有的光都穿過物體時,物體連黑色也沒有了,它就成了透明的。


玻璃即是如此,它既不反射光,也不吸收光,任由光線自由穿行。而玻璃可以任光線任意穿過的原因,就是它毫無規律的非晶體結構。

3000多年前,一艘歐洲腓尼基人的商船,滿載著晶體礦物「天然蘇打」,航行在地中海沿岸的貝魯斯河上。由於海水落潮,商船擱淺了,於是船員們紛紛登上沙灘。有的船員還抬來大鍋,搬來木柴,並用幾塊「天然蘇打」作為大鍋的支架,在沙灘上做起飯來。




船員們吃完飯,潮水開始上漲了。他們正準備收拾一下登船繼續航行時,突然有人高喊:「大家快來看啊,鍋下面的沙地上有一些晶瑩明亮、閃閃發光的東西!」


船員們把這些閃爍光芒的東西,帶到船上仔細研究起來。他們發現,這些亮晶晶的東西上粘有一些石英砂和融化的天然蘇打。原來,這些閃光的東西,是他們做飯時用來做鍋的支架的天然蘇打,在火焰的作用下,與沙灘上的石英砂發生化學反應而產生的物質,這就是最早的玻璃。後來腓尼基人把石英砂和天然蘇打和在一起,然後用一種特製的爐子熔化,製成玻璃球,使腓尼基人發了一筆大財。

ps:本文原載於《好奇號》第12期ASK板塊,感興趣的可以戳「閱讀原文」獲取連結哦~

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