为什么不透明的沙子可以做成透明的玻璃？
2024-11-19 阅读 94
更新于 2024年11月21日
玻璃之所以是透明的，关键在于它不吸收可见光的光子。而沙子吸收和散射了可见光的光子。
玻璃的成分是二氧化硅SiO₂，也是沙子的主要成分。当原子形成固体材料时，无论是有序的晶体结构（如题中沙子）还是无定形结构（如题中玻璃），原子中的电子都必须重新调整能量状态，以避免和相邻原子的电子处于相同的量子状态，即泡利不相容原理，也就是没有两个电子可以占据同一个量子态。因此，当原子靠近时，电子的能级会分裂并调整。
下图是关于泡利不相容原理的解释图。当两个原子相互远离时，如左边图，它们各自的电子能级是独立的。图中每个原子的电子（红圈表示原子核，蓝点表示电子）对应一个能级（水平线表示能量）。此时，原子1和原子2的电子能量没有相互影响。
但是，当两个原子逐渐靠近时，如右图，由于泡利不相容原理，两个原子的电子不能占据相同的能量水平。因此，原子1和原子2的电子能级开始分裂成两个不同的能量水平。这导致了两个原子靠近时能级的分裂，即：原子1的电子能级上升（标红的能级），原子2的电子能级下降。
泡利不相容原理的解释图这种能级的分裂确保了两个电子不会处于同一个量子态上，即在一个多电子系统中，两个电子不能具有完全相同的量子数。
好了，明白了这一点，我们再来看光子的吸收和传输，因为这直接影响了沙子或者玻璃是否透明。 这一点就需要能带理论来解释。换句话说：透明性取决于物质的能带结构，即电子在物质中的能量状态分布，以及光子能量是否足够引起电子的跃迁（这句话看着有点抽象，我们看下面解释）。
当大量的原子聚集在一起形成固体时，原子的电子能级不再是单一的离散能级，而是形成了一系列连续的能级，也就是能带。就像下图一样。
在左图中，多个原子彼此分开时，每个原子的电子能级是独立的。每个原子都有特定的能级（如图下方的水平线所示），这些能级互不相干扰。单独的每个原子能量结构相对简单。但是，当这些原子聚集形成固体材料中的晶格时，电子能级被压缩，这些离散的能级分裂成了大量非常接近的能级，最终形成了连续的能带。
右图展示了这种连续能带的形成过程。在晶格中，能级分裂得非常密集，以至于我们可以把它们看作是一系列的能带。其中上面的带为导带，下面的带为价带，两者之间存在一个被称为带隙的区域，这个区域内没有电子能存在。价带中电子能量较低，电子若能获得足够能量，可以跃迁到更高能量的导带，进而参与导电。
当大量的原子聚集在一起形成固体时，原子的电子能级不再是单一的离散能级，而是形成了能带带隙决定了材料的光学和电学性质。如果光子的能量足够大，它可以使电子从价带跃迁到导带。这一过程会导致光子被吸收，光子能量被转移给电子。然而，如果光子的能量不足以让电子跨越带隙，光子就不会被吸收，而是直接通过材料。玻璃由于其带隙大，无法吸收可见光，因而表现为透明。
具体说，在二氧化硅中，带隙宽度大约为8.9eV（电子伏特），而可见光光子的能量范围大约在1.65 eV（红光）到2.76 eV（蓝光）之间，所以可见光的光子没有足够的能量让电子从价带跃迁到导带，因此它们不能被吸收，而是直接穿过玻璃。纯净二氧化硅生成的石英可以是透明的，其原因也是能带理论。
但是，如果光子的能量足够高，比如紫外线光子的能量可以大于8.9 eV，那么它就可以将电子从价带激发到导带，导致光子被吸收。因此，玻璃对短波长的紫外线是不透明的。
为什么沙子就不透明呢？玻璃是纯净的二氧化硅，沙子是含杂质的二氧化硅，杂质包括：不同的金属离子，或者气泡，或者裂纹，或者本身晶体就非均匀，所以导致沙子本身就会散射可见光的光子。
同时，沙子里的杂质会引入新的能级，这些能级落在二氧化硅价带与导带之间，且处于可见光的能量范围内，于是光子可以被杂质中的电子吸收。这样，光在传播时一部分能量被杂质吸收，导致沙子或者含杂质石英不再透明。
好了，总结下，沙子之所以不透明是因为散射和吸收可见光的光子，同时所含杂质引入了新的能级，导致光子被杂质中电子吸收。玻璃透明是因为它的带隙较大，使得可见光的光子不能提供足够的能量让电子从价带跃迁到导带。
@流浪的饭炒蛋 ，因为没有被@，所以刚看到你的反对。
玻璃透明原因的本质是能带理论，这基本可以说是一个结论，我随便找了其他人的文章，和TED的视频，你可以去了解下。
高赞什么带隙吸收可见光都扯出来了，直白的说，结论是错的，基于的理论也有问题
物质粒子透明与否确实可以用电子能带解释一部分，但这和沙子的结晶结构没有关系，与玻璃和沙子透明性质改变的问题也没有关系
二氧化硅完美结晶体就是水晶，水晶一样是透明的
天然的白水晶就有无色水晶，透明的一比
什么奇奇怪怪的东西瞎扯
还有一个重要的部分，我之所以说能带理论只能解释一部分，是因为用这个理论解释为什么玻璃透明的时候就会出现“玻璃不吸收光子”和“光子直接穿过玻璃”这样错误结论
因为这个结论违背了一个基本事实，光在玻璃的中的传播速度是2x10^8m/s，只有真空中的2/3，也就是说光线以光速到达玻璃，玻璃中降低速度到2/3，穿过去后在回到原来的速度
显而易见，基于能带理论和粒子性得出的结果违反基本的能量守恒——光子没有被吸收而是直接穿过，却有一段路程的速度变慢了。
而粒子碰撞理论和重激发理论并不能很好的说明随机性问题，所以光线在透明介质中的传播应该是以波的角度去解释，即波粒二象性。
光线在透明介质中与介质中其他电磁波叠加而导致群速度慢于相速度，所以观测光在透明介质中传播时会变慢。
所以能带理论可以解释不同物质的性质（主要是导电性质），也可以一定程度上解释为什么物体不透明，但解释物质为什么透明那就有些牵强了。
不过这也和玻璃与沙子透明性质改变的这个问题没有关系，因为问题显然问的是同一种物质。
一个东西对光线有三个影响，反射和吸收、折射，而宏观层面是否透明是看光线是否能顺利通过这个物体
注：此处说的“顺利通过”并不是单一光子顺利通过，而是一定范围内的光线都能有序的穿过。玻璃相对于沙子透明是因为宏观层面的均匀
我给你举个例证：
这是玻璃，透明
这是一堆玻璃，可你看不见玻璃下面是什么东西
这是二氧化硅粉，你把玻璃磨成粉也是这个效果
上述三个过程并没有改变其化学组成和微观结构，破碎只是宏观层面上的变化，依然属于同一种物质
他们的区别在于宏观层面不再均匀了，光线每次透过玻璃碎片都会被多次吸收和折射、反射
最终光线不是顺畅的穿过而是被散射出来，所以逐渐就不透明了
例证很多：
比如雪花也是透明的，就是一种很小的冰块
但堆积起来的雪层就不透明了
水是透明的，但撒水车扬出的水雾不再透明
北极熊的毛也是透明的，甚至北极熊皮肤反而是黑色的（因为黑色最能吸收光线中的能量）
但北极熊看起来是白色的，通过这种方式，北极熊既可以获得太阳热量的同时，又起到伪装和保暖的效果
碎玻璃、雪堆、水雾、北极熊的毛在宏观层面上不再均匀，这堆东西从各个方向接收光线，再近乎随机的散射到其他方向，而不是原路返回
不能如实反应其另一面物体光线，宏观层面上这堆东西就变得不再透明
这一过程与大气物理中的米散射（Mie scattering）过程类似。
当粒子尺度接近或大于入射光波长时，虽然大部分入射光线依然沿着前进方向散射，但散射的光强在各方向不对称
各个方向入射的光被随机散射再重新混合，这就解释了了为什么本来透明的东西化为小颗粒后不再透明，而且是灰白色的。
米散射之所以划分在大气物理中，是因为最常见也最容易忽略的相同情况是云朵，云朵由水滴和冰晶组成，这种物质都是透明的，但云朵不透明，呈现灰白色的效果。
因为看的人比较多，所以我制作了两组示意图，希望能有助于各位能更清晰的理解这一过程。
btw：沙子的黄色等颜色来自二氧化硅以外的杂质，比如铁元素。
btw2：部分不透明的元素加入，甚至会让玻璃更透明，参见关键词“燧石玻璃”。
这个问题其实是对“透明”的概念不清晰导致的。
省流：沙子[1]是“透明”的，玻璃也是“透明”的。玻璃看上去能透光的原因是孔隙率低。
这里“透明”的含义在后面就能理解是什么[2]。
在这个问题下的，
