半透明

物理学

bàn tòu míng

半透明材料能让光透过,但会把光散射开,使背后的清晰形状无法被看见,例如磨砂玻璃或蜡纸。

Visualization

Definition

半透明材料能让光透过,却把它搅乱,使另一侧清晰的形状无法被看见,例如磨砂玻璃、蜡纸,或一张薄纸,能透光却看不清对面,正好介于透明和不透明之间;一扇磨砂玻璃的浴室窗户能让日光进来,却会把一切都模糊化。它能透过光,但在穿过时把光向多个方向散射,因此透射出来的光是弥散的,背后的图像变得模糊或不可见,这种散射来自内部界面、微小颗粒或粗糙的纹理,这一特性在灯罩和磨砂灯泡中很有用,能均匀地散布光线。半透明性来自多重散射:当折射率变化的尺度与波长相当或更大时(晶界、孔隙、颗粒、纤维),光会被重新导向而不被吸收;远小于 $\lambda$ 的颗粒按瑞利的 $\lambda^{-4}$ 定律散射,而更大的颗粒则遵循米氏理论,对波长的依赖较弱,这正是牛奶和云看起来是白色的原因,透射光会分成一个保持方向的弹道分量和一个不保持方向的漫射分量,其比例取决于厚度和散射平均自由程。

Example

把一张薄纸巾举在手电筒前,也许能透过大约 $60\%$ 的光,但透出来的光束变成了一团柔和的光晕,而不是一个光斑,叠加五张纸巾会因为每一层都散射和吸收更多的光,而使透出的光减少到很小一部分。脱脂牛奶看起来偏蓝,全脂牛奶看起来是白色的,因为数量更少、体积更小的脂肪球更倾向于瑞利型散射短波长,而全脂牛奶中更大、更多的脂肪球则几乎均等地散射所有颜色,用手电筒照射水槽中的一滴牛奶,从侧面看会重现蓝天,直接透过看则重现橙色的落日。

Key Insight

云是半透明的水:每一滴水都是透明的,但数十亿滴水把光散射了太多次,以致太阳变成了一团明亮的光斑,云从各个方向发出白光。人体组织对红光和近红外线是半透明的,这正是手电筒贴在手指上会发红光,也是脉搏血氧仪和某些脑成像方法无需切开任何东西就能读出体内情况的原因。