[科普中國(guó)]-半透明

簡(jiǎn)介

在光學(xué)領(lǐng)域，透明度是允許光通過(guò)材料而不分散的物理性質(zhì)。在宏觀尺度（其中所研究的尺寸大小比所討論的光子的波長(zhǎng)大得多），光子遵循斯奈爾定律。半透明度是透明度的超集：它允許光線通過(guò)，但不一定符合斯奈爾定律；光子可以分散在兩個(gè)接口中的任何一個(gè)。換句話說(shuō)，半透明介質(zhì)允許光的傳輸，而透明介質(zhì)不僅允許光的傳輸，而且允許圖像形成。透明度相反的特性是不透明度。透明材料看起來(lái)清晰，整體外觀為一種顏色，或任何組合，生成每種顏色的光譜。

當(dāng)光線遇到材料時(shí)，它可以以幾種不同的方式與它進(jìn)行交互。 這些相互作用取決于光的波長(zhǎng)和材料的性質(zhì)。 光子通過(guò)反射、吸收和透射的某種組合與物體相互作用。 一些材料，比如平板玻璃和干凈的水，將大部分的光傳輸?shù)剿鼈兩砩?，幾乎沒(méi)有反射，這種材料被稱(chēng)為光學(xué)透明的。 許多液體和水溶液都是高度透明的。絕大多數(shù)液體的結(jié)構(gòu)缺陷(空洞、裂紋等)和分子結(jié)構(gòu)主要是光學(xué)傳輸?shù)闹饕颉?/p>

不透光的材料叫做不透明材料。許多這樣的物質(zhì)有一種化學(xué)成分，其中包括被稱(chēng)為吸收中心的物質(zhì)。許多物質(zhì)對(duì)白光頻率的吸收是有選擇性的。它們吸收特定部分的可見(jiàn)光譜，同時(shí)反射其他部分。不被吸收的光譜的頻率可以通過(guò)我們的物理觀測(cè)得到反映或傳播。這就是產(chǎn)生顏色的原因。所有頻率和波長(zhǎng)的光的衰減是由于吸收和散射的聯(lián)合機(jī)制。

透明可以為動(dòng)物們提供完美的偽裝。在光線暗淡或渾濁的海水中，這比在良好的光照下更容易。許多海洋動(dòng)物，如水母，都是高度透明的。1

介紹關(guān)于光的吸收，主要包括：

（1）在電子層面，光譜的紫外和可見(jiàn)光（UV-Vis）部分的吸收取決于電子軌道是否量化，使得它們能夠吸收特定的光（或光子）量子頻率，并且不違反選擇規(guī)則。 例如，在大多數(shù)眼鏡中，電子在與可見(jiàn)光相關(guān)的范圍內(nèi)沒(méi)有可用的能量水平，或者如果它們這樣做，則它們違反選擇規(guī)則，意味著在純（未摻雜的）玻璃中沒(méi)有明顯的吸收，使得它們是理想的建筑窗戶的透明材料。

（2）在原子或分子水平上，光譜的紅外部分的物理吸收取決于原子或分子振動(dòng)或化學(xué)鍵的頻率，以及選擇規(guī)則。氮和氧不是溫室氣體，因?yàn)闆](méi)有分子偶極矩。

關(guān)于光的散射，最關(guān)鍵的因素是所有這些結(jié)構(gòu)特征相對(duì)于散射光波長(zhǎng)的尺度。主要包括：

（1）晶體結(jié)構(gòu):原子或分子是否表現(xiàn)出晶體固體中的“長(zhǎng)期順序”。

（2）玻璃結(jié)構(gòu):散射中心包括密度或組成的波動(dòng)。

（3）微觀結(jié)構(gòu):散射中心包括內(nèi)部表面，如晶粒邊界、晶體缺陷和微孔。

（4）有機(jī)材料:散射中心包括纖維和細(xì)胞結(jié)構(gòu)和邊界。

透明度物體可能不透明，因?yàn)樗瓷淙肷涔饣蛘呶杖肷涔狻缀跛械墓腆w都反映了一部分并吸收了一部分入射光。

當(dāng)光落在金屬塊上時(shí)，它遇到緊密堆積在規(guī)則晶格中的原子，“原子之間的電子”隨機(jī)移動(dòng)。在金屬中，大多數(shù)是非鍵合電子（或自由電子），與通常在共價(jià)鍵合或離子鍵合的非金屬（絕緣）固體中發(fā)現(xiàn)的鍵合電子相反。在金屬鍵中，晶體結(jié)構(gòu)中的原子可能容易損失任何潛在的鍵合電子。這種離域的作用只是夸大了“電子之?！钡淖饔?。作為這些電子的結(jié)果，大多數(shù)金屬中的入射光被反射回來(lái)，這就是為什么我們看到閃亮的金屬表面。

大多數(shù)絕緣體（或介電材料）通過(guò)離子鍵保持在一起。因此，這些材料不具有自由傳導(dǎo)電子，并且鍵合電子僅反射入射波的一小部分。剩余的頻率（或波長(zhǎng)）可以自由傳播（或傳輸）。這類(lèi)材料包括所有陶瓷和眼鏡。

如果電介質(zhì)材料不包含吸光劑添加劑分子（顏料，染料，著色劑），通常對(duì)可見(jiàn)光的光譜是透明的。電介質(zhì)中的顏色中心（或染料分子或“摻雜劑”）吸收入射光的一部分。剩余的頻率（或波長(zhǎng)）可以自由地被反射或傳輸。這就是彩色玻璃的生產(chǎn)方式。

大多數(shù)液體和水溶液是高度透明的。例如，水，烹飪油，酒，空氣和天然氣都很透明。沒(méi)有結(jié)構(gòu)缺陷（空隙，裂紋等）和大多數(shù)液體的分子結(jié)構(gòu)主要是由于它們優(yōu)異的光學(xué)傳輸。液體通過(guò)粘性流動(dòng)“內(nèi)部”缺陷的能力是為什么一些纖維材料（例如紙或織物）在潤(rùn)濕時(shí)增加其表觀透明度的原因之一。液體填充了許多空隙，使得材料在結(jié)構(gòu)上更均勻。

在不提供入射光的散射中心的理想的無(wú)缺陷結(jié)晶（非金屬）固體中的光散射將主要是由于在有序晶格內(nèi)的非諧波的任何影響。由于結(jié)晶物質(zhì)的典型各向異性，包括它們的對(duì)稱(chēng)性組和布拉維斯晶格，光透射將是高度定向的。例如，七種不同的晶體形式的石英二氧化硅（二氧化硅，二氧化硅）都是透明材料。2

在光波導(dǎo)光學(xué)透明材料專(zhuān)注于材料對(duì)波長(zhǎng)范圍內(nèi)的入射光波的響應(yīng)。通過(guò)頻率選擇性波導(dǎo)的引導(dǎo)光波傳輸涉及光纖的新興領(lǐng)域，以及某些玻璃組合物同時(shí)用作傳輸介質(zhì)的頻率范圍（多模光纖），波長(zhǎng)之間很少或沒(méi)有干擾。這種通過(guò)電磁（光）波傳播的能量和數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓舱衲Ｊ绞窍鄬?duì)無(wú)損的。

光纖是通過(guò)全內(nèi)反射過(guò)程沿其軸傳播光的圓柱形介質(zhì)波導(dǎo)。纖維由包層包圍的芯組成。為了將光信號(hào)限制在芯中，芯的折射率必須大于包層的折射率。折射率是反映材料中光速的參數(shù)。 （折射率是真空中的光速與給定介質(zhì)中的光速之比，因此真空的折射率為1.）折射率越大，光在該介質(zhì)中的行進(jìn)越慢。光纖的芯和包層的典型值分別為1.48和1.46。

當(dāng)在致密介質(zhì)中行進(jìn)的光以陡峭的角度撞擊邊界時(shí)，光將被完全反射。稱(chēng)為全內(nèi)反射的這種效應(yīng)用于光纖中以將光限制在芯中。光線沿著纖維從邊界反復(fù)彈跳。因?yàn)楣獗仨氁源笥谂R界角的角度撞擊邊界，所以只有在一定角度范圍內(nèi)進(jìn)入光纖的光將被傳播。角度范圍稱(chēng)為光纖的接收錐。該接收錐體的尺寸是纖維芯和包層之間的折射率差異的函數(shù)。光波導(dǎo)用作集成光電路（例如與激光器或發(fā)光二極管）組合或作為本地和長(zhǎng)距離光通信系統(tǒng)中的傳輸介質(zhì)的組件。

偽裝在表面附近漂浮的許多海洋動(dòng)物高度透明，給他們幾乎完美的偽裝。然而，由具有與海水不同的折射率的材料制成的物體的透明度是困難的。一些海洋動(dòng)物如水母具有主要由水組成的凝膠體;它們的濃厚的mesogloea是無(wú)細(xì)胞和高度透明的。這便于使他們浮起來(lái)，但它也使他們的肌肉量大，所以他們不能快速游泳，這種形式的偽裝成為一種代價(jià)高昂的移動(dòng)性權(quán)衡。明膠浮游動(dòng)物的透明度在50-90%之間。 50%的透明度足以使動(dòng)物對(duì)諸如鱈魚(yú)之類(lèi)的捕食者不可見(jiàn)，深度為650米（2,130英尺）;在較淺的水域，光線更亮，捕食者可以看到更好的隱形，需要更好的透明度。例如，鱈魚(yú)可以看到在淺水中最佳照明中98%透明的獵物。因此，在更深的水域中更容易實(shí)現(xiàn)偽裝的足夠的透明度。出于同樣的原因，空氣透明度更難實(shí)現(xiàn)，但在南美洲雨林的玻璃青蛙中發(fā)現(xiàn)了半透明的皮膚和淡綠色四肢的一個(gè)例子。3