透明

物理学

tòu míng

透明材料能让光直接穿过,使背后的物体清晰可见,例如透明玻璃、清水和空气。

Visualization

Definition

透明材料能让光直接穿过,使另一侧的东西被清晰地看见,比如窗玻璃、干净的水和空气,不过透明并不意味着不可见:一小部分光会在窗户表面反射并略微弯折,这正是玻璃本身仍然可见的原因。它以很少的散射或吸收传递光,因此图像能够清晰地穿过它,尽管光在材料内部会减速并发生折射,且在每个表面都会有一小部分反射;透明度还依赖于波长,普通玻璃对可见光是透明的,但会阻挡大部分紫外线。当一种材料在给定波长下,其光子没有足够的能量激发电子跃迁(玻璃的能隙约为 $9\ \text{eV}$,而可见光子只有 $3\ \text{eV}$),没有匹配的振动模式,并且结构在波长尺度上是均匀的、散射可以忽略不计时,它就在该波长下是透明的,一块平板的透射率满足 $T = (1 - R)^2 e^{-\alpha x}$;金属之所以不透明,是因为自由电子吸收并重新辐射光,而超纯二氧化硅光纤在 $1550\ \text{nm}$ 处透明到每公里只损失约 $0.2\ \text{dB}$ 的光。

Example

透过一张透明塑料薄片可以读书,透过水族箱的玻璃可以观察鱼;普通窗玻璃透过大约 $90\%$ 的可见光,反射约 $8\%$,吸收剩下的 $2\%$,一大块玻璃看起来略带绿色,是因为它吸收的红光比绿光稍多一些。损耗为 $0.2\ \text{dB/km}$ 的二氧化硅光纤,每公里能透过 $10^{-0.02} \approx 95.5\%$ 的光,$50\ \text{km}$ 之后仍有 $10\%$,仍可被检测到,这正是海底电缆只需每隔几十公里设一个中继器的原因,而窗玻璃在约 $30\ \text{dB/km}$ 的损耗下,几百米后就会近乎全黑。

Key Insight

水在杯子里是透明的,但海洋看起来是蓝色的,云看起来是白色的:深度增加了吸收,水滴增加了散射,因此同一种物质,根据排列方式的不同,可以是透明的、有颜色的,或不透明的。透明其实是关于能级的一种说法,而不是说材料上有让光穿过的孔洞:钻石和玻璃之所以透明,是因为当一个可见光子到来时,它们的电子没有可以跃迁到的允许能级,因此光子毫发无损地穿过。