解读固体透明的科学原理，为何有些透明有些不透明？

不知道你想过没有，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？

要彻底弄清这个问题，绕不开量子力学的探讨。

这篇文章篇幅较长，涉及复杂的量子力学知识，以及基于量子场论的分析。

尽管我会尽量避免使用复杂的公式和术语，但为了把问题讲清楚，有些部分可能会显得艰涩。如果你觉得读起来吃力，可以直接关注标题、加粗的文字和最后的结论。

首先，什么是光？

讨论透明之前，我们必须先明白光的本质。学习过物理的朋友们知道，光既是没有质量的粒子，又是电磁波，光具有波粒二象性。

那么，电磁波是否由无穷无尽的光子构成呢？我们所见的光，是否真的是一颗颗飞进我们眼中的光子？严格来说，这种说法并不准确。电磁波是由无穷种携带能量的光子组成的，这些光子被称为“光的能量子”或“能量子”。

量子力学强调电磁场的能量是量子化的，这意味着它只能一份一份地被发射和吸收。而在经典物理中，我们会把电磁场的能量视为连续的，因此不会特别定义“能量子”，而直接称之为光子。

“能量子”的概念在后续的讨论中至关重要，我们将在之后的内容中用到它。

什么是固体？

物质主要由原子构成，这些原子拥有内部的电子和外部的共价键。共价键将原子紧紧地结合在一起，使固体的宏观形态相对稳定。

固体分为晶体、非晶体和准晶体三类，这三类固体都有可能让光透过。晶体在自然界中普遍存在，例如盐、糖、冰、钻石、铁、铜等。晶体的内部结构中，原子和分子按照特定的模式周期性地重复排列，形成特定的晶格结构。非晶体的内部分子排列混乱无序，其物理特性在各个方向上均相同，因此被称为“各向同性”。而准晶体是1982年发现的新型金属化合物，它既非晶体也非非晶体。

光子能穿过固体吗？

我们透过玻璃看见光，自然而然会认为光穿过了玻璃。但这个看似理所当然的问题，却并非那么简单。

光子体积微小，属于玻色子。如果将光子比作小豆子，原子之间的空间就像宽阔的广场。乍看之下，光子似乎可以轻松穿越固体。然而，问题在于光也是波，它有特定的波长。

我们可见光的波长大约在380～780nm之间，频率范围大约在4.2×10^14～7.8×10^14Hz之间。固体中原子周围的空间并不宽敞，因为电子并非静止在某个位置，而是以电子云的形式存在。原子间的化学键长度一般不超过0.05nm，而固体的厚度远超过可见光的波长。

因此，无论是玻璃还是石头，留给光子的空间都过于狭窄，光子在穿越固体时不可避免地会撞到粒子。光子撞击粒子后，可能出现反射、散射或被“吸收”。光子的命运既取决于自身的特性，也取决于固体材料中粒子的特性。

结论是：我们所见的透进来的光，可能并不是最初的那个光子。

光是如何透过固体的？

原子最外层的电子比较活跃，容易与外界相互作用。携带能量的光能量子一旦进入电子轨道，就可能与电子发生耦合。

在晶体中，原子或分子按照特定的规律排列在晶格上，原子间存在相互作用。原子并非静止，而是在固定的位置上振动。这种振动不是孤立的，可以通过原子间的作用力相互影响，形成一种弹性力，晶体存在“弹性波带隙”。物理学家将这种量子化的弹性波的最小单位称为“声子”。声子作为玻色子，也可以与光的能量子发生耦合。

光子通过与电子和声子的耦合，实现在固体中的传输。但这时的光子已不再是原来的光子，而是全新的耦合态。这种耦合态携带着光子的信息，也与固体本身的属性相关，不同的固体，电子和声子的属性不同，它们携带信息的能力和方式也会不同。因此，我们看到某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，它会解除耦合态，向外发射一个光子。这个光子携带的信息与最初射入固体的光子信息相似，所以我们觉得它似乎就是原来的光子。然而实际上，这是全新的光子。

为何有的固体不透明？

在量子力学中，有一个概念叫“能带结构”，大意是：单个电子因为携带不同能量而有不同的能级；原子和分子最外层的电子相互作用形成化学键；许多原子结合，最外层的电子结合成能带结构。不同的物质有不同的能带结构，它们的电学和光学性质也因此不同。

在半导体固体中，自由电子受到光照射时，光的能量子会被电子吸收并耦合，将电子从低能带激发到高能带。同时，高能带的电子有回落到低能带的趋势，在回落过程中释放相应能量的光能量子。这样，光能量子就在半导体固体中传递。

低能带与高能带间存在能隙，这个能量差被称为“能隙”。不同的物质有不同的能隙，如果电子无法达到能隙的宽度，它就不能完成跃迁，也就无法释放光子，显示出不透明的性质。

绝缘体由于几乎没有自由电子，能隙很大，不易被光子激发，因此电子也不释放光子。这时，光会以波的形式穿越非晶体，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通常是透明的。

金属导体的情况则不同，其最外层拥有大量自由电子。这些自由电子在金属表面组成“电子海洋”。光子与金属表面碰撞后，会激发电子产生弹性响应，大部分光子被反射，只有少量光谱光子被吸收。这些与光量子耦合的自由电子，其跃迁主要在费米能级附近发生，远离能隙，它们只会产生热能，不会激发新光子。因此，金属在理论上对可见光不透明。

一些看似不透明的固体实际上是透明的。

石头是否透明？大多数人会摇头。但如果把石头切割成薄片，你会发现它也是透明的。下图是阿波罗11号带回的月球岩石样本，编号10020，制成薄片后你会发现，这些含有亚硫酸盐、橄榄石、玄武岩的石头同样可以透光。

我们周围的许多看似不透明的物体也是如此，它们由许多微小的晶体组成，各种物质组成的多晶体和微晶体在晶界间产生复杂的漫反射关系，最终削弱了光线的传输，使其无法从另一端射出。于是，我们看到的这些物体就是半透明或不透明的了。

综上所述：

物体是否透明与光的性质有关，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射线却是透明的，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，这些性质包括是否存在自由电子、晶体的排列方式、能带结构等。

光子因为携带能量被称为能量子，能量子通过与电子和声子的耦合作用在固体内部传输，最终以释放相似光子的耦合态结束，光是通过自由电子和声子的“携带”完成传递的。

金属不透光是因为其表面的大量自由电子反射了可见光，与光子耦合的电子不能完成跃迁，因此无法释放光子。这些光能最终转化为热能，使金属原子加速振动。

以上就是关于固体透明与否的科学原理。您对此有何看法？欢迎在评论区分享您的观点。