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



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