为什么玻璃是透明的，而金属不是？ 第1页

这个问题在固体物理方面的课上专门学过。不过时间久远，早就不干这行了，有些术语都忘记了，我也只能做点定性方面的解释。

首先，先明确几个基本概念。

（1）光是绝对“穿”不过任何固体的。

固体的原子间距、化学键长度都不过零点几个埃（A），1埃相当于0.1纳米，而可见光的波长是400到700纳米，是前者的上万倍，无论如何都穿不过去。就好象一个人要从一根头发丝宽的缝挤过去。再者可见的宏观物质，厚度最少都有几十或上百微米，是可见光波长的上千倍。也就是说，上面那个人不但要挤一根头发丝宽的缝，还要这样挤过去至少一公里远，不可想象吧。

既然如此，那么为什么有的固体还是透明的，光到底是怎么穿过去的呢？其实这就是第二概念：

（2）从外面进入固体的光、固体中的光、从固体出来的光根本不是一个东西，只是看起来很像而已。

上面知道，固体中的原子是很密的，而且每个原子都有几个外层电子（价电子——比较活跃、容易跟外界发生作用的电子），一旦光进入固体，马上会被这些外层电子吸收，光子跟电子之间发生一种复杂的耦合。同时呢，固体晶格（原子点阵）具有一些特定的集体振动模式，这些模式所对应的‘准粒子’叫做声子（所谓准粒子是物理学家为了便于分析问题而创造的一类概念，准粒子就是一个筐，什么东西都可以往里装）。声子也可能跟光子发生耦合。无论是光电耦合还是光声耦合，实际上就是产生了一些新的运动模式，也就是一些新的准粒子类型。也就是说，固体中的光，早已经不是光子了，而是光子与电子或准粒子的耦合态。实际上，光必须附身于准粒子的上面才能在固体中传播。这些准粒子代表了固体本身的固有属性，因此有的固体适合于光的传播，有的固体就不是适合光的传播。当耦合态传播到出射面，还要能解开耦合，光子就会释放出来。在耦合过程中，入射光的一些属性并没有丢失，最后还能在出射光中体现出来，所以入射光和出射光看起来很像。

（3）透光（折射现象）需要三个环节：光的吸收，光的传导，光的发射。反射现象实际上是固体不具有传导光的条件，光刚被吸收就又被发射出去了。很多固体都能吸收光，但发光就不一定了。本来吸收和发射是一对可逆过程，为什么不对称呢？因为不发光的固体吸收光子之后，光子的能量很快就转化成了热运动，热运动遵循热力学第二定律，所以是一个不可逆的过程，热运动的能量不能自动转化为光能。而电子吸收或发射光子的跃迁则是可逆的。所以，固体的电子结构决定了它的发光性质。

（4）电子本身没有结构（内部的微观结构），但是一堆电子在一起就有了结构（能量的分布结构）。单原子的电子有能级结构，分子中的电子有化学键结构，众多原子或分子构成的晶体中的海量电子有能带结构。有了能带结构，光就能把电子从下面的能带激发到上面的能带上，光子本身被电子吸收了；同时，上面能带的电子有回落到下面能带的趋势，下落过程中就是释放特定能量的光子。光子的能量决定了光的颜色，而光子的能量取决于能带的间隔，能带的间隔（能隙）是固体的固有属性。一般来说，只有半导体具有适合吸收和发射可见光的能隙。因为可见光（400到700纳米）的能量相当于1.8到3.1个电子伏特，绝缘体的能隙太大了，已经对应于紫外部分了，而且能隙越大，固体中的活跃电子越少，绝缘体几乎没有活跃电子。前面知道，没有电子的参与，就不能发射光子。导体呢，分两种情况。简单金属的能带结构很简单，导体的费米能级处在能带之中，电子跃迁主要发生在费米能级附近很小的能量范围内，因此是远离能隙的，并不是导体没有能隙，而是即便有能隙，电子也去不了那么远的地方。过渡金属的能带会稍微复杂一些，在有些情况下，费米能级会穿越上下能带（能带可不是一条直线，而是复杂的空间曲面，费米能级可以看作是一个球面），下能带最顶的电子比上能带最低的电子的能量还高，这个时候，上下能带的电子交换主要不是靠光子，而是靠声子，是动量空间的跃迁，而不是能量空间的跃迁，光子的动量跟声子相比，根本没法比。所以，导体的发光很弱。半导体中，光子导致的电子跃迁基本都是垂直跃迁，因此多数发生在直接能隙的半导体，极少发生在间接能隙的半导体。

先说这些。

首先，光是电磁波的一种，是波长介于390纳米到750纳米之间的电磁波。我们通常意义上说的透明不透明，都是局限于这个波段的。事实上，你看上去透明的东西，对于超出这个波段的电磁波，就不一定是透明的，反之亦然。举个例子，X光就是波长很短的光，连人体也可以穿透，大部分物质对x光来说都是透明的。

那么，什么决定了物质对光的作用呢，因素很多，最基本的就是物质的电子结构。我们知道物质原子是由原子核和电子构成的，实际上电子很活泼，可以吸收光子从而增加自己的能量。光一旦被吸收，这个物质就表现为不透明了。但也并不是什么光都吸收的，具体的选择是由量子力学规律所决定的。这其中涉及到固体物理学的基本原理，包括固体的能带结构和带间跃迁，带内跃迁等等。这里就无法展开叙述了。这样我们也就知道，为什么有些物质是透明的。比如玻璃等等，其电子由于量子力学限制无法吸收可见光，所以光线就直接穿透过去，因而呈现透明状。但是，玻璃也并不是永远透明的，比如说对于某些红外和紫外光线，玻璃就是不透明的，因为那些光线玻璃可以吸收。另一个例子就是硅，半导体硅晶片是黑色的，因为可见光会被吸收，但是硅对大部分红外线都是透明的，可以替代玻璃。

金属是一类特殊的例子。其电子结构与上面提到的大部分物质不同，存在着大量可以到处乱跑的自由电子（这也就是为什么金属可以导电），所以对光的作用也不同。这些自由电子构成一片电子海洋，一般称为plasma。Plasma可以有效地反射电磁波。所以金属就表现出对光线的良好反射，可以用来作镜子。

更多的物质并不是简单的均匀材质，而是大量小颗粒的杂乱堆砌，这样就会造成对光的无序散射，外在表现就是这种物质也不透明。比如岩石，木头，纸张，墙上的涂料等等。

限于篇幅，很多细节就无法一一展开了，如果大家对某类物质有特别的兴趣，我们可以专门讨论。