同样由分子构成,为什么玻璃能透光,木板之类的东西不透光?

同样由分子构成,为什么玻璃能透光,木板之类的东西不透光?

中科院物理所,没错,我就是那个物理所。

材料是否透光的问题同时涉及宏观和微观尺度的影响。微观层面主要是解释光为什么会被吸收、吸收的选择性和材料吸收光后如何反馈。宏观层面则表现出吸收、反射、折射、散射等具体现象,且宏观结构也在影响光被消耗的比例。

图 1 光子与固体界面的作用 | 图片源于资料 [1]

简单来讲,不同组成或者结构的相的交界面是产生光与材料作用的宏观现象的主要部位。在每一个界面处,光都涉及从某一种介质运动到另一种介质中,此时光作为电磁波,其电场会与材料中原子的核外电子产生作用,即发生电子极化。电子极化会影响光子的能量,体现为光子运动速度的改变,这便是折射产生的原因。

图 2 孤立原子能级(a)或能带(b)对于光子的吸收 | 图片源于资料[1]

此外,电子可以吸收特定频率的光子跃迁到高能级,当其从高能级跃迁回基态时会重新释放光子。重新释放的光子如果返回到原介质,就体现为反射光。而介质中的微小的颗粒、气孔、杂物等则会诱发散射现象。一方面,吸收和散射都会消耗光的能量,随着入射深度的增加,光强按照 Bouguer 定律衰减

其中

分别是吸收系数和散射系数。另一方面,折射率相差较大的界面处会由于反射带来较大的能量损失,损失比例

称为反射系数。

图 3 材料吸收系数与电磁波长的关系 | 图片源于资料【1】

首先从宏观对比。玻璃是以非晶态存在的,主要成分是 SiO₂以及 Na₂O,CaO 等氧化物,其主要特征就是原子的排布无规则导致的统计上的均匀性。这一性质使得反射等现象主要只发生在玻璃两侧与空气的界面处,而内部则可以看作完整的均匀介质。木材则含有很多细小的孔隙,而空气与木材本身折射率相差较大,因此由于反射等原因光在界面处会被严重消耗。

图 4 木质素部分官能团的近似最大吸收波长 | 图片源于资料[3]

接下来从组分的吸光性质对比。前面提到了电子可以吸收一定的光子跃迁,然而可以吸收什么频率的光子取决于材料是否有特定的能极。玻璃的能带具有较宽的带隙,体现为可见光波段的电子都没有足够的能量将玻璃价带中的电子激发到禁带以上的空轨道,阻止了可见光范围的吸收。而木材中含有的木质素, 是一类复杂的有机聚合物,其中含有丰富的官能团结构。含有共轭羰基、芳香环、碳碳双键等的一些官能团在可见光范围有较强的吸收。综上,光能否通过原子或者分子,主要看能否被吸收。


实际材料复杂多变,影响因素较多,上述回答集中在量子和能级层面讨论物质和光的相互作用,关于大家在评论区提到的“透明木头”等情形其实体现了多个尺度物质结构与光的相互作用,结构影响也很大的,可以参阅 @孙亚飞 的回答。光子晶体是微结构对材料与光相互作用产生影响的典型,有兴趣的读者也可以去搜索了解,比如像蝴蝶翅膀的颜色除了本身带有的颜色以外,有一部分就来自结构色~

参考资料:

[1]田莳. 材料物理性能[M]. 北京航空航天大学出版社, 2006.

[2] 玻璃(硅酸盐类非金属材料)

[3]Paulsson, M.; Parkas, J. Review: Light-induced yellowing of ligninocellulosic pulps-mechanism and preventive methods. Bioresources 2012, 7, 5995–6040.

[4]Sadeghifar H, Ragauskas A. Lignin as a UV Light Blocker-A Review. Polymers (Basel). 2020 May 15;12(5):1134.