而在经典物理学中会把电磁场的能量看作是连续的。因为固体中的共价键将原子之间紧密地固定在一起，内部结构中的原子、原子团、离子、分子有规则地在三维空间呈周期性重复排列。工匠利用玻璃体的特性吹制玻璃器皿准晶体是1982年xīn发现的金属互化物。
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玉外层都是什么石头
同样是固体，为什么有些是透明的，有些是不透明的，有些shì半透明的？为什么玻璃水晶和钻石是透明的，金银铜铁不透明，玉石和某些陶瓷是半透明的？
著名的Arcot II 巨钻石，设计师将光线的折射用到了极致
这些在我们身边司空见惯的现象，背后却潜藏着深奥的科学道理。今天，我将试着从“最物理”的角度、用最浅显的语言来解释这一现象。
关注我的朋友也许已经注意到，十天前我已经就玻璃透光的问题写过一篇文章，为什么半个月不到又要就同一个问题再写一篇？因为我经过两个星期的思考后发现，要想把这个问题解释透彻，量子物理是绕不过去的一个坎。为不留遗憾，决定续写文章，以使透明的问题更加透明。
本文比较长，并且涉及量子力学的知识以及基yú量子场论的分析，尽管我尽力避免使用公式和专业词汇，但为了把问题交待清楚有些地方还是会显得晦涩。如果你觉得读起来太烧脑，直接看大标题、黑体字和最后的结论就好了。
什么是光？讨论透明，必然先要搞清楚光是什么。学过物理的人都知道，光既是无质量粒子，同时又是电电磁波，光具有波粒二象性。
光是粒子，同时也是波
那么电磁波是由无数光子组成的吗？我们平时看到的光，是一可一可飞进眼球的光子吗？这个说法并不准确，严格地说，电磁波是由无穷种携带着能量的光子叠加而成的。
在量子学中，光子又被称为“光的能量子”或“能量子”。能量子的概念之所以重要，是因为量子学认为电磁场的能量是量子化的，只能一份一份地发射和吸收。而在经典物理学中会把电磁场的能量看作是连续的，不会刻意去定义“能量子”，于是统统当成光子。
“能量子”很重要，我们后面要用到。
什me是固体？物质大多是由原子构成的。原子都有原子核和核外电子，大部分原子的核外电子有分层，原子通过其最外层的电子相互构成共价键来进行连接。因为固体中的共价键将原子之间紧密地固定在一起，粒子之间紧紧相扣，不容易移动位置，所以它的宏观形态是相对固定的。
固体分wèi晶体、非晶体和准晶体三类，这三lèi固体都有可能透光。
冰是自然界最常见的固体之一
晶体在自然界中很广泛，许多固体物质都是晶体，比如我们常见的yán、白糖、冰、水晶、钻石、铁、铜等金属。晶体又分许多种类，其中dān晶体的粒子结构很规则，内部结构中的原子、原子团、离子、分子有规则地在三维空间呈周期性重复排列，组成一定形式的晶格，因此从外形上它会显示出一定的形状。
非晶体内部的分子排列是混乱无序的，它的物理特征从各个方向上相同，所以称“各向同性”，像玻璃、沥青、珍珠、橡胶等属于fēi晶体。严格意义上来说由于非晶体没有固定的熔点，所以有些人并不认同玻璃是固体，只认为它属于玻璃体。
工匠利用玻璃体的特性吹制玻璃器皿
准晶体是1982年xīn发现的金属互化物，它既不是晶体也不同于非晶体。
光子能“穿过”固体吗？我们透过玻璃看见阳光、看到窗外的风景，自然会认为光线是穿过了玻璃才照射进来。这似乎是个常识性问题，连幼儿园的小朋友都知道的。
问题是：眼见一定为实吗？
光子很小，它是玻色子。如果把光子比作小绿豆，原子之间的空隙以及原子内部的空间就如同大广场一般，似乎可以任意穿越。但有一个问题，光同时还是波，它是有波长的。
量子力学中的xíng波函数波长
我们知道，人眼可见光的波长大约在380～780nm之间，其频率范围大约为4.2×10^14～7.8×10^14Hz。固体原子核周围的空间其实并不大，因为电子在原子核的外围并非老老实实dāi在某个位置，它们会以电子云的形式存在；原子间化学键的长度基本上在0.05nm以下；同时固体的厚度也远超过可见光的波长。因此相对于可见光的波长来说，无论是玻璃还是砖头，留给它的缝隙都太小了，因此光子在穿越固体的时候不可避免地会撞到粒子上。光子撞击粒子会有三个结果：反射、散射或被“吸收”。光子的命运一方面取决于光子自身的特性，同时也取决于固体材料中粒子的特性。
电子很小，但它似乎无处不在
答案是：我们看到的透进来的光，跟窗外的光，它可能不是同一个光子。
光是怎么透过固体的？在原子最外层的电子中总有几个价电子比较活跃，它们容易跟外界fā生作用。一旦携带着能量的光能量子进入到电子的运行轨道，它就可能与这些价电子发生耦合。
在晶体中，原子或分子是按一定的规律排列在晶格上的，因此原子间有相互作用；原子并非是静止的，它们总是在相对固定的位置上不断的振动。因此晶体原子的振动不是彼cǐ独立，它可以通过原子之间的作用力相互影响，这种影响类似一种弹性力，因此晶体存在“弹性波带隙”。物理学家将这种liàng子化了的弹性波的最小单位称为“声子”，声子其实是一种“准粒子”，它是为le便于分析问题而创造的一类概念，并不代表真yǒu这种东西。声子是玻色子，它也可以与光的能量子发生耦合。
光子与宏观金刚石集体振动模（声子）量子纠缠的示意图
光子通过与电子和声子进行耦合，从而在固体中进行传输。但这个时候的光子已经不再是光子了，它是一种全新的耦合态。这种耦合态不仅携带了光子的信息，它还与固体本身的属性相关，不同的固体，它的电子和声子的属性不同，它们携带信息的能力及方式也会产生差异。于是我们看到有些固体对某些频率的光不透明，某些频率的光折射率更高。
当这种耦合态到达出射面时，它会解开耦合态，向外发射一个光子。这个光子所携带的信息与之前射入固体的光子信息非常相似，于是我们会觉得这似乎就是之前的光子。但实际上这是个不同的光子。
光将玻璃窗外的风景反射进来
为什么有的固体不透明？在量子学中，有一个概念叫“能带结构”，大致的意思是这样：单个电子因为携带能量的不同有zì己的能级；原子与分子之间因为最外层电子的相互作用有化学键；许多原子结合在一起，它们最外层的许多电子组合zài一起就有了能带结构。物质不同，其能带结构各异，它们的电学和光学性质也就有了差别。
自由电子吸收、释放光子与能量跃迁
在半导体固体中，当自由电子受到光照射时，光的能量子会被电子吸收耦合，cóng而将电子从低能带激发到高能带；与此同时，高能带的电子有向下huí落的趋势，在回落的过程中，它们会向外释放相应能量的光能量子；光能量子就以这种方式在半导体固体中传递。
低能带与高能带之间是有间隔的，这种能量的落差被称为“能隙”。固体的性质bù同，它们电子的能隙也不同。如果耦合的电子能量达不到能隙的宽度，它就不能完成跃迁，也就不néng释放光子，它对外就显示不透明。
绝缘体由于几乎没有自由电子，相对于1.8dào3.1个电子伏特的可见光能量，绝缘体的能隙很dà，几乎不huì被光子激发，电子也不会释放光子。这时候对于非晶体来说，光会以波的形式穿过；而对yú晶体，光子会与声子耦合进行传递。因此绝缘的非晶体和晶体是透明的。
玻璃窗内的两只猫
而对于金属导体，由于在其原子的最外层拥有大量密集的自由电子，这些自由电子在金属晶体的表面组成了一层“电子海洋”。当光子与金属表面碰撞后，其电场会激发金属表面的电子，使其发生弹性响应，于是光子大多数被反射出去，只有极少数光谱光子被吸收。那些与被吸收光量子耦合的自由电子，其跃迁主要发生在费米能级附近很小的能量范围内，因此远离能隙，它们只会产生热能，不会激发出新的光子。所以金属在理论上对可见光不透明。
铝箔尽管只有0.005毫米厚，它依然不能被可见光穿过
有些看起来不透明的固体其实是透明的。石头透明吗？许多人会摇头。但如果你将石头切割打磨成薄片，就会发现其实它也是透明的。下图是阿波罗11号带回的yuè球岩石样本，编号10020，当将其制成薄片后我们会看到这些含亚硫酸盐、橄榄石、玄武岩的石头其实也可以透光。
阿波罗11号带回的月球岩石样本薄片，编号10020
我们周围有许多看似不透明的物体都与此类似，它们中间集合了许多hěn小的晶体，各种不同物质组成的多晶体和微晶体会在其晶界间产生fù杂的漫反射关系，漫反射最终削弱了guāng线的chuán输，使其无法从另一端发射出来。于是我们看这些物体就是半透明或不透明的了。
光在固体内部晶界间漫反射
总结：物体是否透明与光有关，光的波长越短、频率越高，光的能量子就越容易激发电子跃迁，从而“穿透”物体。对kě见光不透明的铁和铝，对Xguāng和γ射线就是透明的，因为一部分X光的波长小于原子间隙，γ射线的波长更短，它们可以轻松穿过。
物体是否透明与物体本身的性质有关，这些性质涉及其是否存在自由电子、晶体的排列、以及能带结构。
光子因携带能量而被称为能量子，能量子通过与电子和声子的耦合作用在固体内部传输，传输以耦合释放相似的光子结束，光是通过自由电子及声子的“携带”而完成传递的。
金属不透光是因为其表面大量自由电子反射了可见光，另一些与电子耦合的光子并不能使电子完成跃迁，从而无法释放光子，这些光能最终因金属原子加速振动转变成le热能。
迄今为止，我们没有发现透明的金属
关于固体是否透明的科学原理就介绍到这里，你有什么想法？欢迎在评论区留言讨论。
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