玻璃透明的原理

吴  志

 

【提要】这篇文章破解了人类有史以来不能解释的一个谜，属于人类的重大科学发现

玻璃透明，是人类非常好奇又不能破解的谜，每个人从少年起就感到好奇了，总是在内心问自己，木板是不透明的，为什么玻璃是透明的呢？对此，人类有史以来的所有科学家都无能为力，大家也就无可奈何，日渐老去，一代一代，抱憾西去。

本文运用辐射力学原理，在大量分析研究的基础上，终于破解了这个难题，说出了令人信服的道理。一个不太厚的物体，被光穿透是正常的，因为分子之间、原子之间、原子之内有空隙，光子能从这些空隙中穿过去。不透明是因为物体内部结构阻挡了光子直线前进，被反射、偏射或吸收了。一种物体，无论是固体、液体和气体，只要符合下述一个或两个条件，就具有通透性了，也就是透明的了。

第一、分子距离比较远

即物质稀疏，密度不大，光线能从分子之间穿过去，这种物质就是透明的，比如空气就是透明的。几乎所有气体都是透明的，除非掺有杂质。这说明稀疏的物质是透明的。即使是不透明的物质，稀疏之后也可以看成是透明的。如钢丝是不透明的，做成纱窗后就可以看成透明的了，因为光的通透率比较高。

在地球上，密度为1g/cm³或以下的都是小密度物质，即与水相当或比水还轻的物质，大多是透明或半透明的，包括气体、液体和固体，若不透明可能掺入了杂质。水、汽油、酒精是透明的，就是因为密度小；塑料是透明或半透明的，也是因为密度小，密度通常在1或以下。密度与原子量有关，也与分子结构有关。

透明也有程度，如果把透明度为分十个等级，最高为10，那么空气的透明度大概是9，除非有雾、有霾、有烟。透明度7-10为透明，4-6为半透明，0-3为不透明，大概可以这么分等级，但不能绝对。

有些固体和液体密度比较大，分子距离比较近，却是透明或半透时的。为什么呢？下面重点研究这个问题。

第二、液态或液态固化物质

光穿透物质时，除了氢等少数小分子外，主要是在分子之间穿透的，光子碰到分外围的电子，路径偏个角度，继续前进，不断进行微小的曲折运动，就能穿过物体了。分子呈成团状，自然紧密分布，有利于光穿透。

绝大多数分子都是团状的，只有液体处于自然紧密分布状态，所以绝大多数液体是透明的，除非混有其他杂质，破坏了自然紧密结构。水是透明的，因为是自然紧密结构；冰也是透明的，因为固化时保持原有结构；玻璃也是透明的，因为固化时保持原有结构；有机玻璃也是透明的，因为固化时保持原有结构；不掺有色素的塑料是透明的，因为固化时保持原有结构。可见，从液体转化来的固体，很多是透明的。

南极冰、北极冰、高山冰是不透明的，因为是从雪转化而来的，雪是固体，里面含有空气，分子不是自然紧密分布。有些冰还含有杂质，如尘埃、脏雨落下后被污染。北极圈的冰山融化时，看到的冰往往是发黄的，因为离大陆比较近，人类活动、风卷尘土等带来了大气污染和杂质。

第三、物体内没有二级结构

一块玻璃是透明的，用一个小铁锤砸一下，砸出了一条或多条裂纹，这些裂纹就不透明了，或透明度很低了，纹路就是二级结构。若把玻璃敲碎，形成颗粒状，堆成一堆，这堆玻璃就不透明了，也是因为有了二级结构。二级结构有很多面，这些面把光线引向别处。有一种花玻璃，表面有很多凹凸花纹，这些花纹就是二级结构，会把光线引向别处。

碎玻璃堆里面还有很多空气，对光子的运动很不利，不断从一种介质进入另一种介质，这会起到刹车作用，甚至光子在物质内部衰变，变成看不见的粒子。木头内也有小腔室，也会起到同样作用。

颗粒结构、粉末结构、蜂窝结构、纤维结构、网状结构等，都属二级结构，这些结构不利于光的穿透。内部有无数个界面，光子撞到这些界面后，不断发生反射和偏射，就像走迷宫那样了，有一部分从别的方向出来，有一部分侵入原子内被原子核吸收，还有些光子在刚碰撞到物体时，发生反射或偏射被阻挡在外了。泡沫、海绵密度很小，却是不透明的，因为里面有蜂窝结构。

我们身边的固体，如石头、沙子、泥土、金属等，几乎都是由颗粒物组成的，二级结构是晶体、准晶体、粉末等，所谓粉末只是颗粒较小，如泥土是0.004－0.0625mm的矿物晶粒或其他颗粒，沙子是0.0625－2mm的矿物晶粒，这些颗粒承受压力后就成为岩石了，这就是占地球岩石70%的沉积岩。当然，岩石有多种，不同的岩石形成原因不同，但结构是大同小异的。木头是一个个细胞组成的，细胞死后细胞壁留了下来，算是细胞残骸，形成一个个类似蜂窝的小房子，这就是木头的二级结构。当然，木头还有纤维结构、微管结构等。

玻璃是一个整体，分子自然堆积在一起，内部没有二级结构，光子进入玻璃后能顺利穿透。对于光子来说，分子与分子之间，空间实在太大，穿越是必然的。就像人在城市中行走，穿越是必然的，只要不撞到楼或树就成。人类认为玻璃是密密实实的，因为人实在太大，视力实在太差，物体都是有空隙的，区别只是空隙大小。水无法穿透玻璃，是因为水分子比玻璃空隙大，分子之间、原子之间和原子之内的空隙，都比水分子小。光子穿透玻璃，在某些方面证实了人类的分子说、原子说、电子说、光子说是正确的。

水同玻璃差不多，也是一个整体，没有二级结构，有的水有波动，有的水无波动，波动的水会影响到光子的轨迹，不再是直线运动，也会降低水的透明度。像九寨沟那样，一潭静水才能清澈见底。如果扔一块大石头进去，溅起一大堆浪花，浪花和下方的水是不透明的，因为有了二级结构，浪花是水团和水珠，浪花下方的水有了凹凸、水波和水纹，这都可以阻挡光的穿透。撒几把泥土进水潭，或让潭底烂泥翻滚上来，水又不透明了，因为水中有了二级结构。

冰是透明的，雪是不透明的，也是因为雪有二级结构，每一片雪花都是一堆雪的二级结构；在一片雪花之内也有二级结构，花纹、空隙和水晶，都是二级结构。黄河的冰是黄色的，不透明，因为含有泥沙，有二级结构。北极圈的一些冰架也是发黄的，可能是风带过去的尘土，多少个世纪累积下来的了。

鸡蛋清是透明的，煎成荷包蛋为什么不透明了？蛋清是蛋白质，蛋白质是多肽链，卷曲折叠，一团乱麻，团状结构，还是分子，形成整体，不存在本文所指的二级结构，因而是透明的。受热后多肽链伸展成纤维状，无数多肽链纵横交织在一起，形成网状结构，加上有一些气泡形成，也就不透光了。

凡是受热融化后的物体，就是自然堆积的分子，也就是没有二级结构的，哪怕分子内有多级结构；融化后再缓慢固化，分子自然堆积的状态依然没变。但有些物质不可逆，如荷包蛋受热后就不会变回液态。

多数液体都是透明的，只要足够纯净，因为液体本身是一个整体，分子之间不松不紧、若即若离结合在一起，结合紧些成固体，结合松些成气体。另外，常见液体密度小，相当于水或小于水，在地球属于密度比较小的物质。密度小说明分子空间大，光容易穿透。若掺入杂质那就不一样了，等于液体里面有二级结构。

若在一杯水中撒一把盐呢？盐是半透明的，进入水中水的透明度受影响，能看到杯底一粒粒的盐，盐充当二级结构，有盐处不透明，一会盐就溶化了，所谓溶化就是盐被水分解成分子，水分子与盐分子均匀分布在一起，合二为一，成为一体，不存在二级结构，依然还是透明的。至于透明度，肯定有一些变化，毕竟水与盐水是两种物质。

纯净液体为是什么是透明的呢？固体受热后融化，也就是把分子之间的结构拆散了，分子之间自然堆积在一起，晶体没有了，颗粒没有了，空隙没有了，也就没有了二级结构，这样就变成透明的了。

含有杂质的冰和结构松散的冰（如雪化冰），是不透明的，融化变成水是透明的，就是因为融化消除了二级结构。如果水很纯，数量不太多，如一杯水，从冰到水，再从水到冰，都是透明的，因为始终没有产生二级结构。雪糕、冰棒为什么大多不透明？含有糖、色素、香精、奶油、牛奶、香油等，这些物质构成了二级结构。

玻璃、有机玻璃，是固体受热后融化，变成液体，消除了二级结构，慢慢冷却后变回固体，内部没有产生二级结构，也就保持透明了。在自然界中，透明固体是比较少的，透明液体则比较多。

第四、原子序数较小的气态物质

没有二级结构的物质是否都透明呢？当然不是。还要看是什么物质。我在《微波在各种介质中的运动》一文中指出，原子序数太大的物质，外围电子太多，光子触碰时易发生反射和偏射，根本无法进入物体之内，也就不存在穿透了；原子序数太小的物质，外围电子太少，光子进入原子后，容易被原子核捕获，这也不存在穿透了。当然，只是穿透量少，不是完全没有穿透。原子核有较大引力，可以控制附近空间，从附近经过的光子会被收容。就算光子能从一个原子穿过去，后面还有无数个原子核张开大嘴等着呢。当然，原子核越大，控制范围越宽。

不过氢和氦有点特别，这两种物质原子序数是1、2，原子少质子也少，如果光子冲原子核而来，外围的一两个电子很难阻挡，命中原子核就被吸收了，应是吸光较强的物质，前提是原子之间距离小，偏偏这两种气态物质做不到，常温常压下是气体，由于原子之间空间大，反而成为一类透明物质。由于是气态，比较活跃，与其他物质组成化合物，本性难改，依然活跃。如水，两个氢原子拉扯着一个氧原子，互不相让，到处奔跑，一是分子空间被拉大，密度变小；二是分子活性增加，到处流动。这类物质往往是透明的。当然，水在物理上表现活跃，还在于氧也是气体。

酒精的分子式C₂H₆O，6氢1氧2碳，也是活跃的，比重与汽油差不多，比水还轻，当然也是透明的。汽油是烃类混合物，即各种碳氢化合物混合在一起，基本结构是2氢拉1碳，5-12个碳形成一个分子，其中有的碳有三个氢牵拉，下面是典型的氢碳结合方式，当碳增加到5-12个时就是汽油成分了。

四个氢在四个角拉两个碳，就像是四马分尸，把分子空间拉得很大，密度比水还小，也更活跃，随时都向空中冲出去，也就是蒸发了，当然也是透明的。国内的汽油带点黄，因为有杂质，如含硫等，德国的汽油是完全透明的，就像水一样，因为没有杂质。

汽油为什么比水轻呢？水是2氢拉1氧，汽油是2氢拉1碳，碳的原子序数是6，氧的原子序数是8，当然是水更重了。况且，汽油分子有些部位还是3氢拉1碳，如汽油中的一种成分是正辛烷，由8碳18氢组成，分子式C₈H₁₈，结构是CH₃-CH₂-CH₂-CH₂-CH₂-CH₂-CH₂-CH₃，其中2个碳是由3个氢牵拉的，显然就比水轻了。汽油标号就是由辛烷值高低决定的。

当然，物质轻重由多种因素决定，元素大小、分子尺寸、分子距离都决定物质轻重。人类对分子尺寸和分子距离研究得比较少，应该成为物理或化学的一个分支学科。

光子面对一个原子时，主要表现为穿透、反射和吸收。我们剔除氢与氦不考虑，一般规律是：电子少的物质容易吸收光，电子多物质容易反射光，电子不多不少的物质容易被光穿透。

碳原子序数是6，是所有元素中吸光最强的物质，因此隐形飞机涂料一定是碳或含碳多的物质，不会有人告诉我，但科学会告诉我，可见光与雷达波都是电磁波，波长比较接近，吸光好的物质，吸收雷达波也好。碳之下的硼、铍、锂吸光也比较好，原子序数为5、4、3；碳之上的氮、氧、氟、氖属于气体，光的穿透性比较好，原子序数为7、8、9、10；再往上是钠、镁、铝、磷、硫、钾、钙，光的穿透性就略差一些，吸光、反光、穿透兼而有之，原子序数为11-20；再往上就是较重的金属了，原子外围电子多，以反光为主。

可见，原子序数较小的气态物质有利于光子穿透，具体是原子序数为10及以下的气态物质，即氢、氦、氮、氧、氟、氖，属一类物质；11-20的物质光能部分穿透，属二类物质。水的分子式H₂O，两种元素都属一类物质，有利于光线穿透，加上密度不大，结合松散，透明就是正常的了。

普通玻璃分子式是Na₂SiO₃，2钠1硅3氧，原子序数分别是11、14、8，氧原子数量最多，属一类物质；纳原子数量其次，属于二类物质，靠近一类；硅原子数量最少，属于二类物质，也比较靠近一类。所以，玻璃是透明的，但透明度不如水，若一块玻璃厚度达两米，透明度就比较差了，但水还可以见底。普通玻璃密度是2.5，比水的密度大多了，这意味着透光率没有水好。

沥青受热后是液体，是黑色的，完全不透明。沥青似乎没有二级结构，实际上有的。沥青基本元素是碳，此外还有很多种物质，含量1.95%以上的就有四种，这些物质不溶于碳，不是作为分子与碳分子均匀混合在一起的，是以颗粒物存在于沥青中的，这就是二级结构了。沥清主要成分碳81.7%，氢7.5%，硫4.4%，氮1.95%，三者相加占95.6%。碳含量很高，是吸光率最高的物质，表现为黑色也就正常了。在《微波在各种物质中的运动》提到，只有一层碳原子的石墨烯吸光率高达2.3%，50层石墨烯就可以把光全部吸收，50个原子的厚度是很小的。木头、衣服等也是碳元素较多，所以不具有通透性。

我们看到的碳都是黑色的，如煤、木炭、石墨、石墨烯、铅笔芯、烤焦的肉等，这足以说明碳吸光能力很强。但有一个例外，金刚石（钻石）成分也是碳，不是黑的，还熠熠生辉，具有极高的反射率，也具有几分通透性。为什么差别那么大呢？这当然是结构不同，以石墨为例，是层状结构，一层分子构成一张网，再一层层叠加上去，每层都有0.335nm的距离，就像一张张网重叠一样，这就是二级结构了。下左图，每个圆点是一个碳原子，这张网在平面方向延伸就是石墨烯，每60个原子构成一个碳分子，金刚石也是60个碳原子构成一个金刚石分子，两者只是结构不同。

所谓二级结构，是指分子以上的结构，分子结构与原子结构不是物质的二级结构。这与分子学的定义不同，比如蛋白质有四级结构，这是分子内部的结构，在本文不属于二级结构或多级结构，千万不要搞混了。视觉是光子作用于分子给人带来的感觉，说结构时以分子为最小单位，说元素时要分析到原子。

金刚石则看不到有明显的二级结构，显得有点杂乱，一乱就有机会了，结构上看基本是一个整体。虽然金刚石是晶体，但经受过高温高压，相当于在150-200公里的地下，接受1100-1500℃的高温烘烤，时间长达12-33亿年，内部质地已经很致密了，几乎把二级结构压成一个整体了，所以密度是石墨的1.7倍。因此，金刚石反射率很高，通透力也有。

当然，有人把金刚石的内部结构分成四面体和六面体，这有点勉强，正因为介于似有似无之间，金刚石也介于透明与不透明之间，可能透明度只有3-4。金刚石与石墨的外表差异，人人感兴趣，无人能解释，在这里算是解释清楚了。

汽油主要成分是碳和氢，为什么是透明的？不是含有碳的物质就不透明了，有个量的问题，从量变到质变，不是在游泳池中撒几个碳分子一池水就不透明了。汽油的主要成分是氢，也就是氢原子更多，氢多的物质分子内和分子间的空间大，有利于光的穿透，所以汽油密度只有0.7，透明也就是正常的了。当然，汽油也没有二级结构。

液氢也是透明的，密度只有汽油的十分之一，氢是一类物质，自然就很透明了。液氢密度这么低，就是轻飘飘的了，重量主要在罐上，需要有较大强度的罐才能储存。液氢密度为什么这么小呢？氢是活跃气体，受压变成液体也是乱冲乱撞的，这就把分子之间的距离撞开了，所以密度很小。如果把压力释放，氢分子之间就撞得更开了，密度只有水的万分之一了。

烧火形成的烟密度不大，为什么是不透明的？柴火燃烧生成二氧化碳，这是无色无味的透明气体，只要充分燃烧就看不到有烟。柴火不充分燃烧时，会分解出一些固体颗粒物，被二氧化碳气体带到空气中，这些颗粒物是不透明的，还在二氧化碳中构成二级结构，所以烟就是不透明的了。二级结构即使是空气也不透明，前文有张图是跳水的，运动员把空气带入游泳池，“空气颗粒”形成二级结构，也就不透明了。所谓“空气颗粒”，要么是空气包裹水珠，要么是水珠包裹空气，二者必居之一，实际上是相互包裹。

霾影响能见度也是这个道理。霾是PM2.5，是直径为2.5微米的细颗粒物，由于比较细，能长时间悬浮在空气中，影响能见度。这些颗粒物是不透明的，还在空气中形成二级结构，所以就影响能见度了，能见度大小取决于浓度大小。

科学研究不一定要有实验室，实验结果出来后还需要观察和思考。上帝已经为我们做了很多实验，我们只需要观察和思考，就可以得出科学结论了，科学结论与客观事实相符，那就是真理了。

什么是真理？能把世界解释清楚，让人恍然大悟，茅塞顿开，化复杂为简单，这就是真理；什么是谬论？能把世界解释糊涂，让人莫名其妙，云里雾中，化简单为复杂，这就是谬论。相信自己的感觉，不要迷信权威，所有权威都是人造品。

 

                                                                          2019年6月10日