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生产玻璃的原料是存在于许多矿物中(首先就是沙子)的二氧化硅。
之前说过玻璃类似于高黏度的**,这里我们可以确认一下。
首先是它的热行为。
如果我们对晶体进行加热,温度到达熔点后,我们就会观察到晶体开始从固态变成液态,而且在从固态变为液态的整个转变过程中(固液共存状态),温度会一直保持不变。
但是,如果我们加热玻璃,我们只会观察到玻璃在逐渐软化,因为它并没有真正的熔点。
除了热行为,玻璃的机械性能也很独特。
玻璃在机械应力的作用下会随着时间的推移而变形,尽管我们在短期内观察不到这一变化。
从微观层面上来看,这一点则表现为玻璃分子彼此的相对流动,就像在**中一样。
我们通过测量古代玻璃窗(如哥特式大教堂的玻璃窗)的厚度,发现底部玻璃的厚度大于顶部玻璃的厚度,从而就证明了玻璃分子因自身重量而发生了渐进式的滑动。
但玻璃最明显的特点是对可见光透明。
如果光能透过某种材料而不被吸收,那么这种材料就是透明的。
光(见第一章第5节拓展:光、颜色和物质)是电磁辐射,也就是在空间传播的振**电场和磁场。
这是一种电场和磁场粒子垂直于传播方向[横波(transversewave)]发生振**的波动现象。
然而,量子力学(或者说是20世纪前30年发展起来的描述微观世界的物理学)将光解释为一份一份能量子的组合,这个能量子就称为量子或光子。
单个光子的能量取决于辐射的频率(也可以说取决于其颜色:例如,蓝色光子比红色光子的能量更多)。
相反,一束光的强度则与单位时间内穿过单位表面的光子数有关。
电磁辐射之所以能与物质相互作用,是因为原子和分子在每个状态中的能量值都是确定的(也就是说它们拥有量子化的能级)。
如果一个光子的能量(也就是特定的频率)等于原子或分子的两个能级之间的能量差,那么光子就可以被吸收。
因此,当物质面对特定频率的辐射时,它会表现出不透明的性质。
如果不是特定频率,则该物质将会是透明的。
正如我们在第一章第1节中已经看到的那样,在固体中,能级组成价带和导带,价带和导带由一个禁带(forbiddenband)隔开。
在玻璃中,能隙(禁带宽度)的值比可见光的频率值更高,而且禁带中没有能级。
因此,可见光的辐射不被吸收,可以透过玻璃。
如果我们使用紫外线辐射,情况就会不一样。
紫外线辐射的频率较高,因此能量也较高,可以与玻璃的能隙值相对应。
所以紫外线辐射被吸收,玻璃对这种辐射不透明。
如果换种物质,将紫外线辐射照射到纯二氧化硅(如石英)上时,紫外线就可以穿过二氧化硅而不被吸收。
在制备玻璃的过程中,在二氧化硅中加入其他物质(主要是纯碱,即碳酸钠)可以改变玻璃的能隙值,使它能够吸收紫外线辐射。
除了与可能的吸收辐射有关外,当玻璃表现出与光波长相当或更大面积的光学均匀性时,玻璃也会变透明。
如果玻璃表现出不均匀性,光就会在各个方向上发生散射(sg)。
这通常发生在多晶材料中,由于晶界(grainboundary)[相邻晶粒(或微晶)之间的界面]的不均匀性(见第二章第2节)而产生光的散射。
它也会发生在毛玻璃中,人们故意在玻璃的表面上制造这些不均匀性以使其变得半透明。
玻璃对红外线辐射一般也表现为不透明。
红外线辐射的光子能量比可见光的能量低,但却等于玻璃分子振动能级的值。
这些能级的产生是因为原子必须围绕它在分子内的平衡位置进行振动。
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