解读固体透明的科学原理，为何有些透明有些不透明？

　　同样是固体，为什么有些是透明的，有些是不透明的，有些是半透明的？为什么玻璃水晶和钻石是透明的，金银铜铁不透明，玉石和某些陶瓷是半透明的？

　　著名的Arcot II 巨钻石，设计师将光线的折射用到了极致

　　这些在我们身边司空见惯的现象，背后却潜藏着深奥的科学道理。今天，我将试着从“最物理”的角度、用最浅显的语言来解释这一现象。

　　关注我的朋友也许已经注意到，十天前我已经就玻璃透光的问题写过一篇文章，为什么半个月不到又要就同一个问题再写一篇？因为我经过两个星期的思考后发现，要想把这个问题解释透彻，量子物理是绕不过去的一个坎。为不留遗憾，决定续写文章，以使透明的问题更加透明。

　　本文比较长，并且涉及量子力学的知识以及基于量子场论的分析，尽管我尽力避免使用公式和专业词汇，但为了把问题交代清楚有些地方还是会显得晦涩。如果你觉得读起来太烧脑，直接看大标题、黑体字和最后的结论就好了。

　　什么是光？

　　讨论透明，必然先要搞清楚光是什么。学过物理的人都知道，光既是无质量粒子，同时又是电磁波，光具有波粒二象性。

　　光是粒子，同时也是波

　　那么电磁波是由无数光子组成的吗？我们平时看到的光，是一颗一颗飞进眼球的光子吗？这个说法并不准确，严格地说，电磁波是由无穷种携带着能量的光子叠加而成的。

　　在量子学中，光子又被称为“光的能量子”或“能量子”。能量子的概念之所以重要，是因为量子学认为电磁场的能量是量子化的，只能一份一份地发射和吸收。而在经典物理学中会把电磁场的能量看作是连续的，不会刻意去定义“能量子”，于是统统当成光子。

　　“能量子”很重要，我们后面要用到。

　　什么是固体？

　　物质大多是由原子构成的。原子都有原子核和核外电子，大部分原子的核外电子有分层，原子通过其最外层的电子相互构成共价键来进行连接。因为固体中的共价键将原子之间紧密地固定在一起，粒子之间紧紧相扣，不容易移动位置，所以它的宏观形态是相对固定的。

　　固体分为晶体、非晶体和准晶体三类，这三类固体都有可能透光。

　　冰是自然界最常见的固体之一

　　晶体在自然界中很广泛，许多固体物质都是晶体，比如我们常见的盐、白糖、冰、水晶、钻石、铁、铜等金属。晶体又分许多种类，其中单晶体的粒子结构很规则，内部结构中的原子、原子团、离子、分子有规则地在三维空间呈周期性重复排列，组成一定形式的晶格，因此从外形上它会显示出一定的形状。

　　非晶体内部的分子排列是混乱无序的，它的物理特征从各个方向上相同，所以称“各向同性”，像玻璃、沥青、珍珠、橡胶等属于非晶体。严格意义上来说由于非晶体没有固定的熔点，所以有些人并不认同玻璃是固体，只认为它属于玻璃体。

　　工匠利用玻璃体的特性吹制玻璃器皿

　　准晶体是1982年新发现的金属互化物，它既不是晶体也不同于非晶体。

　　光子能“穿过”固体吗？

　　我们透过玻璃看见阳光、看到窗外的风景，自然会认为光线是穿过了玻璃才照射进来。这似乎是个常识性问题，连幼儿园的小朋友都知道的。

　　问题是：眼见一定为实吗？

　　光子很小，它是玻色子。如果把光子比作小绿豆，原子之间的空隙以及原子内部的空间就如同大广场一般，似乎可以任意穿越。但有一个问题，光同时还是波，它是有波长的。

　　量子力学中的行波函数波长

　　我们知道，人眼可见光的波长大约在380～780nm之间，其频率范围大约为4.2×10^14～7.8×10^14Hz。固体原子核周围的空间其实并不大，因为电子在原子核的外围并非老老实实呆在某个位置，它们会以电子云的形式存在；原子间化学键的长度基本上在0.05nm以下；同时固体的厚度也远超过可见光的波长。因此相对于可见光的波长来说，无论是玻璃还是砖头，留给它的缝隙都太小了，因此光子在穿越固体的时候不可避免地会撞到粒子上。光子撞击粒子会有三个结果：反射、散射或被“吸收”。光子的命运一方面取决于光子自身的特性，同时也取决于固体材料中粒子的特性。

　　电子很小，但它似乎无处不在

　　答案是：我们看到的透进来的光，跟窗外的光，它可能不是同一个光子。

　　光是怎么透过固体的？

　　在原子最外层的电子中总有几个价电子比较活跃，它们容易跟外界发生作用。一旦携带着能量的光能量子进入到电子的运行轨道，它就可能与这些价电子发生耦合。

　　在晶体中，原子或分子是按一定的规律排列在晶格上的，因此原子间有相互作用；原子并非是静止的，它们总是在相对固定的位置上不断的振动。因此晶体原子的振动不是彼此独立，它可以通过原子之间的作用力相互影响，这种影响类似一种弹性力，因此晶体存在“弹性波带隙”。物理学家将这种量子化了的弹性波的最小单位称为“声子”，声子其实是一种“准粒子”，它是为了便于分析问题而创造的一类概念，并不代表真有这种东西。声子是玻色子，它也可以与光的能量子发生耦合。

　　光子与宏观金刚石集体振动模（声子）量子纠缠的示意图

　　光子通过与电子和声子进行耦合，从而在固体中进行传输。但这个时候的光子已经不再是光子了，它是一种全新的耦合态。这种耦合态不仅携带了光子的信息，它还与固体本身的属性相关，不同的固体，它的电子和声子的属性不同，它们携带信息的能力及方式也会产生差异。于是我们看到有些固体对某些频率的光不透明，某些频率的光折射率更高。

　　当这种耦合态到达出射面时，它会解开耦合态，向外发射一个光子。这个光子所携带的信息与之前射入固体的光子信息非常相似，于是我们会觉得这似乎就是之前的光子。但实际上这是个不同的光子。

　　光将玻璃窗外的风景反射进来

　　为什么有的固体不透明？

　　在量子学中，有一个概念叫“能带结构”，大致的意思是这样：单个电子因为携带能量的不同有自己的能级；原子与分子之间因为最外层电子的相互作用有化学键；许多原子结合在一起，它们最外层的许多电子组合在一起就有了能带结构。物质不同，其能带结构各异，它们的电学和光学性质也就有了差别。

　　自由电子吸收、释放光子与能量跃迁

　　在半导体固体中，当自由电子受到光照射时，光的能量子会被电子吸收耦合，从而将电子从低能带激发到高能带；与此同时，高能带的电子有向下回落的趋势，在回落的过程中，它们会向外释放相应能量的光能量子；光能量子就以这种方式在半导体固体中传递。

　　低能带与高能带之间是有间隔的，这种能量的落差被称为“能隙”。固体的性质不同，它们电子的能隙也不同。如果耦合的电子能量达不到能隙的宽度，它就不能完成跃迁，也就不能释放光子，它对外就显示不透明。

　　绝缘体由于几乎没有自由电子，相对于1.8到3.1个电子伏特的可见光能量，绝缘体的能隙很大，几乎不会被光子激发，电子也不会释放光子。这时候对于非晶体来说，光会以波的形式穿过；而对于晶体，光子会与声子耦合进行传递。因此绝缘的非晶体和晶体是透明的。

　　玻璃窗内的两只猫

　　而对于金属导体，由于在其原子的最外层拥有大量密集的自由电子，这些自由电子在金属晶体的表面组成了一层“电子海洋”。当光子与金属表面碰撞后，其电场会激发金属表面的电子，使其发生弹性响应，于是光子大多数被反射出去，只有极少数光谱光子被吸收。那些与被吸收光量子耦合的自由电子，其跃迁主要发生在费米能级附近很小的能量范围内，因此远离能隙，它们只会产生热能，不会激发出新的光子。所以金属在理论上对可见光不透明。

　　铝箔尽管只有0.005毫米厚，它依然不能被可见光穿过

　　有些看起来不透明的固体其实是透明的。

　　石头透明吗？许多人会摇头。但如果你将石头切割打磨成薄片，就会发现其实它也是透明的。下图是阿波罗11号带回的月球岩石样本，编号10020，当将其制成薄片后我们会看到这些含亚硫酸盐、橄榄石、玄武岩的石头其实也可以透光。

　　阿波罗11号带回的月球岩石样本薄片，编号10020

　　我们周围有许多看似不透明的物体都与此类似，它们中间集合了许多很小的晶体，各种不同物质组成的多晶体和微晶体会在其晶界间产生复杂的漫反射关系，漫反射最终削弱了光线的传输，使其无法从另一端发射出来。于是我们看这些物体就是半透明或不透明的了。

　　光在固体内部晶界间漫反射

　　总结：

　　物体是否透明与光有关，光的波长越短、频率越高，光的能量子就越容易激发电子跃迁，从而“穿透”物体。对可见光不透明的铁和铝，对X光和γ射线就是透明的，因为一部分X光的波长小于原子间隙，γ射线的波长更短，它们可以轻松穿过。

　　物体是否透明与物体本身的性质有关，这些性质涉及其是否存在自由电子、晶体的排列、以及能带结构。

　　光子因携带能量而被称为能量子，能量子通过与电子和声子的耦合作用在固体内部传输，传输以耦合释放相似的光子结束，光是通过自由电子及声子的“携带”而完成传递的。

　　金属不透光是因为其表面大量自由电子反射了可见光，另一些与电子耦合的光子并不能使电子完成跃迁，从而无法释放光子，这些光能最终因金属原子加速振动转变成了热能。

　　迄今为止，我们没有发现透明的金属

　　关于固体是否透明的科学原理就介绍到这里，你有什么想法？欢迎在评论区留言讨论。