為什麼玻璃是透明的，而金屬不是？

01-05

光線打在大部分固體物質上（如金屬等）都會被擋住，但是為什麼打在玻璃上卻可以穿透，其中的原理是什麼？
另外，不同物質的穿透程度也有差異，這個差異是由什麼決定的？

首先，光是電磁波的一種，是波長介於390納米到750納米之間的電磁波。我們通常意義上說的透明不透明，都是局限於這個波段的。事實上，你看上去透明的東西，對於超出這個波段的電磁波，就不一定是透明的，反之亦然。舉個例子，X光就是波長很短的光，連人體也可以穿透，大部分物質對x光來說都是透明的。

那麼，什麼決定了物質對光的作用呢，因素很多，最基本的就是物質的電子結構。我們知道物質原子是由原子核和電子構成的，實際上電子很活潑，可以吸收光子從而增加自己的能量。光一旦被吸收，這個物質就表現為不透明了。但也並不是什麼光都吸收的，具體的選擇是由量子力學規律所決定的。這其中涉及到固體物理學的基本原理，包括固體的能帶結構和帶間躍遷，帶內躍遷等等。這裡就無法展開敘述了。這樣我們也就知道，為什麼有些物質是透明的。比如玻璃等等，其電子由於量子力學限制無法吸收可見光，所以光線就直接穿透過去，因而呈現透明狀。但是，玻璃也並不是永遠透明的，比如說對於某些紅外和紫外光線，玻璃就是不透明的，因為那些光線玻璃可以吸收。另一個例子就是硅，半導體硅晶片是黑色的，因為可見光會被吸收，但是硅對大部分紅外線都是透明的，可以替代玻璃。

金屬是一類特殊的例子。其電子結構與上面提到的大部分物質不同，存在著大量可以到處亂跑的自由電子（這也就是為什麼金屬可以導電），所以對光的作用也不同。這些自由電子構成一片電子海洋，一般稱為plasma。Plasma可以有效地反射電磁波。所以金屬就表現出對光線的良好反射，可以用來作鏡子。

更多的物質並不是簡單的均勻材質，而是大量小顆粒的雜亂堆砌，這樣就會造成對光的無序散射，外在表現就是這種物質也不透明。比如岩石，木頭，紙張，牆上的塗料等等。

限於篇幅，很多細節就無法一一展開了，如果大家對某類物質有特別的興趣，我們可以專門討論。

本質原理就是麥克斯韋方程在不同結構上的作用，推導出來折射反射定律。光線打到金屬表面，不是被擋住，而是由於金屬的折射率性質，只能進入表面非常非常淺的一點點，就急劇衰減了。而玻璃的折射率和衰減不足以讓光線在較短距離內衰減完。

有人解釋過「玻璃也並不是永遠透明的」，我想說在某些波段下「金屬也不是不透明的」。

電磁波也是一種電磁場 $E$ ，對於大多數金屬，其電流密度在可見光波段即滿足

$mathbf{j}(mathbf{r},omega)=sigma(omega)mathbf{E}(mathbf{r},omega)$

但是當波長特別短時，需要做更複雜的考慮。在 Drude 模型中，根據 Maxwell 方程組，

$ablacdotmathbf{E}=0, \ ablacdotmathbf{H}=0, \ abla imesmathbf{E}=-dfrac{1}{c}dfrac{partial mathbf{H}}{partial t}, \ abla imes mathbf{H}=dfrac{4pi}{c}mathbf{j}+dfrac{1}{c}dfrac{partial mathbf{E}}{partial t}$

我們要求的是 $E$ 的 $exp(-iomega t)$ 形式的解，不難寫出

$- abla^2mathbf{E}=dfrac{omega^2}{c^2}left(1+dfrac{4pi isigma}{omega} ight)mathbf{E},$

記 $epsilon(omega)=1+dfrac{4pi isigma}{omega},$ 若頻率足夠高使得 $omega augg1,$ 取一階近似，有

$epsilon(omega)=1-dfrac{omega_p^2}{omega^2},$ 其中 $omega_p^2=dfrac{4pi ne^2}{m}.$

若 $epsilon(omega)<0$ , 則電磁波在空間中指數衰減，不能傳播，若 $epsilon(omega)>0$ , 電磁波振蕩傳播，此時金屬在電磁波下是透明的。可以推算出其頻率。事實上，鹼金屬在紫外線下是透明的。這個頻率是

$u_p=dfrac{omega_p}{2pi}=11.4 imesleft(dfrac{r_s}{a_0} ight)^{-3/2} imes 10^{15}$ Hz.

等離子頻率的物理解釋見 Negative permittivity of metals。

At high frequencies metals act like a plasma. The conduction electrons are free to flow around while the relatively massive ions remain more or less stationary. When we solve this in a plasma problem with incident electromagnetic waves, what happens is that we get a resonance frequency. Below the resonance frequency, the waves oscillate slow enough for the electrons to follow. Thus, the metal behaves as a good conductor because the currents that can be excited can properly cancel out the incident waves. However, above the resonant frequency, the inertia of the electrons prevents the electrons from oscillating in proper phase with the incident wave. Thus, the currents cannot be excited properly to eliminate the incident wave and now the wave can pass through the metal like it was a vacuum (but this is a dispersive and lossy vacuum).

===

仰慕能根據自己的知識回答的大神們，我什麼都不懂，我只是知識的搬運工，求打臉or輕拍。

光打到物體上，除了反射之外，要被吸收一部分，又要被散射一部分。

有很多物質能吸收一定波長的光。例如畫畫用的顏料，都是吸收了一部分可見光波段。如果把一盒顏料中的所有顏色都混在一起，最後變成的是黑色，因為基本上整個可見光波段都吸收了，沒剩的。

光在密度不同的兩物質界面，會發生折射。如果一個物體中這種介面很多而且方向不一，光照射這個物體透出來的光就朝哪個方向的都有，叫做散射。如果散射的效應很強，通這這一物體你是看不到它背後的景象的了。因為只有不改變光的方向，你才能看到原象。

要做到既沒有吸收又沒有散射，那就不要用吸光的成份，製做的物質要均一。所謂均一，就是物體中不存在會折射光的介面。

單晶物體是透明的，因為整個物體是均一的晶區，沒有由不同折射率夠成的介面。但單晶也不一定都是透明的。金屬。

多晶物質透明度差，因為它裡面是很多個小晶區構成的，晶區與晶區之間還有非晶區。光從不同的晶面照射折射率不同，所以晶區與晶區之間的介面會發生折射。所以結晶的物質不一定是透明的。對於多晶的物質，做薄一點有望能增加透明度，因為減少了光在物體內部被亂折射的機會。

無定形物質往往是透明，例如玻璃。玻璃不是結晶。為了獲得透明的材料，往往不是做成單晶，而是做成無定形。因為單晶很難做。

所有以上物質，加顏料的話都會降低透明度，原因是吸光。

@羅登所說的「所以，當玻璃雜碎以後，晶格大小變化了，就不再透明了。」本人不敢苟同，那是光被複雜折射的結果。

有一種複雜的理論 "預言" (計算出) 不同材料的吸收與其光譜的相關性－吸收，材料對光子的吸收和吸收光譜學。（http://zh.wikipedia.org/wiki/%E9%80%8F%E6%98%8E）

這個問題在固體物理方面的課上專門學過。不過時間久遠，早就不幹這行了，有些術語都忘記了，我也只能做點定性方面的解釋。

首先，先明確幾個基本概念。

（1）光是絕對「穿」不過任何固體的。

固體的原子間距、化學鍵長度都不過零點幾個埃（A），1埃相當於0.1納米，而可見光的波長是400到700納米，是前者的上萬倍，無論如何都穿不過去。就好象一個人要從一根頭髮絲寬的縫擠過去。再者可見的宏觀物質，厚度最少都有幾十或上百微米，是可見光波長的上千倍。也就是說，上面那個人不但要擠一根頭髮絲寬的縫，還要這樣擠過去至少一公里遠，不可想像吧。

既然如此，那麼為什麼有的固體還是透明的，光到底是怎麼穿過去的呢？其實這就是第二概念：

（2）從外面進入固體的光、固體中的光、從固體出來的光根本不是一個東西，只是看起來很像而已。

上面知道，固體中的原子是很密的，而且每個原子都有幾個外層電子（價電子——比較活躍、容易跟外界發生作用的電子），一旦光進入固體，馬上會被這些外層電子吸收，光子跟電子之間發生一種複雜的耦合。同時呢，固體晶格（原子點陣）具有一些特定的集體振動模式，這些模式所對應的『准粒子』叫做聲子（所謂准粒子是物理學家為了便於分析問題而創造的一類概念，准粒子就是一個筐，什麼東西都可以往裡裝）。聲子也可能跟光子發生耦合。無論是光電耦合還是光聲耦合，實際上就是產生了一些新的運動模式，也就是一些新的准粒子類型。也就是說，固體中的光，早已經不是光子了，而是光子與電子或准粒子的耦合態。實際上，光必須附身於准粒子的上面才能在固體中傳播。這些准粒子代表了固體本身的固有屬性，因此有的固體適合於光的傳播，有的固體就不是適合光的傳播。當耦合態傳播到出射面，還要能解開耦合，光子就會釋放出來。在耦合過程中，入射光的一些屬性並沒有丟失，最後還能在出射光中體現出來，所以入射光和出射光看起來很像。

（3）透光（折射現象）需要三個環節：光的吸收，光的傳導，光的發射。反射現象實際上是固體不具有傳導光的條件，光剛被吸收就又被發射出去了。很多固體都能吸收光，但發光就不一定了。本來吸收和發射是一對可逆過程，為什麼不對稱呢？因為不發光的固體吸收光子之後，光子的能量很快就轉化成了熱運動，熱運動遵循熱力學第二定律，所以是一個不可逆的過程，熱運動的能量不能自動轉化為光能。而電子吸收或發射光子的躍遷則是可逆的。所以，固體的電子結構決定了它的發光性質。

（4）電子本身沒有結構（內部的微觀結構），但是一堆電子在一起就有了結構（能量的分布結構）。單原子的電子有能級結構，分子中的電子有化學鍵結構，眾多原子或分子構成的晶體中的海量電子有能帶結構。有了能帶結構，光就能把電子從下面的能帶激發到上面的能帶上，光子本身被電子吸收了；同時，上面能帶的電子有回落到下面能帶的趨勢，下落過程中就是釋放特定能量的光子。光子的能量決定了光的顏色，而光子的能量取決於能帶的間隔，能帶的間隔（能隙）是固體的固有屬性。一般來說，只有半導體具有適合吸收和發射可見光的能隙。因為可見光（400到700納米）的能量相當於1.8到3.1個電子伏特，絕緣體的能隙太大了，已經對應於紫外部分了，而且能隙越大，固體中的活躍電子越少，絕緣體幾乎沒有活躍電子。前面知道，沒有電子的參與，就不能發射光子。導體呢，分兩種情況。簡單金屬的能帶結構很簡單，導體的費米能級處在能帶之中，電子躍遷主要發生在費米能級附近很小的能量範圍內，因此是遠離能隙的，並不是導體沒有能隙，而是即便有能隙，電子也去不了那麼遠的地方。過渡金屬的能帶會稍微複雜一些，在有些情況下，費米能級會穿越上下能帶（能帶可不是一條直線，而是複雜的空間曲面，費米能級可以看作是一個球面），下能帶最頂的電子比上能帶最低的電子的能量還高，這個時候，上下能帶的電子交換主要不是靠光子，而是靠聲子，是動量空間的躍遷，而不是能量空間的躍遷，光子的動量跟聲子相比，根本沒法比。所以，導體的發光很弱。半導體中，光子導致的電子躍遷基本都是垂直躍遷，因此多數發生在直接能隙的半導體，極少發生在間接能隙的半導體。

先說這些。

試著補充一下光子吸收的問題吧，是上學期從半導體課學來的。

光子的吸收可能是和電子能級躍遷有關吧。若光子所帶的能量小於電子能級間（其實更具體一點，不同物體的電子能級會匯聚成幾條band，要看某兩條band的能級差）差別的最小值，電子就不會吸收光子而躍遷。這也就是物質的吸收光譜的來源，只能吸收特定波長的光。

大多數透明的物質（鹽水什麼的不算。。。導電原理不同），大都是些電子能級很穩定的物質吧，比如絕緣體，不導電，能級差大約有好幾個電子伏，大於可見光的能量，也就是電子很難躍遷，很難吸收可見光，因此顯現出透明。

樓上提到了麥克斯韋返程組，同意！但想補充一點：不僅要考慮物質的介電常數，還要考慮入射波的頻率。頻率不同，受到的影響也不同。

感謝邀請。前面各位說的其實都挺清楚的了，大概補充一下。

數學上來說，光（以可見光為例，實際上可以推廣到電磁波）在不同介質表面的作用（反射、透射、吸收等等）由介質的折射率決定，能透射過去的折射率（如玻璃）是正的，不能透射的折射率（如金屬）是負的，這樣能使折射定律對所有的介質都成立。

對同一波長的光而言，折射率主要是由介質的介電常數決定，這就涉及到介質材料的微觀性質。具體的原理我就說不上來了。但是我同意 @謝煜的說法，本質上是麥克斯韋方程在不同結構上的作用，要用電動力學的知識來解答。

「大部分物質都會被擋住」？是嗎？

據我所知，光線經過氣體時，絕大部分氣體都沒擋住啊。

絕大部分液體也沒擋住光線啊。

就說固體，玻璃能透光，大多數晶體也能透光，油脂和很多塑料也能透光。

實在不能說「大部分物質都會被擋住。」

如果你說「擋住」的意思是沒有完全通過，那麼玻璃也沒有完全讓光透過。

至於為啥透明，應該說是光子沒被吸收有關。而光子是否被吸收，又與物質的電子能態有關。

倘若固體的晶格空間很規律，那麼在某個方向上，光線完全穿過，造成透明。

而玻璃晶格雖然沒有完全規範，但是其晶格的大小大於可見光的光波波長，所以能透過，但是當玻璃成為玻璃粉以後，晶格大小變化了，就不再透明了。

請物理大牛解釋為啥有些物質透明吧！！！

因為我不確定是否分子間隔小於可見光波長就造成不透明。

本質原因是因為空氣和玻璃的光學性質很相似，穿透程度的差異取決於界面兩種物質的相似度。

首先說金屬為什麼會反光：金屬是帶有自由電子的，光是電磁波，或者說是一種能量，這種能量打在自由電子上會給自由電子充能，如果能量足夠高，自由電子足夠脫離金屬原子核的束縛，自由電子就能被激發出去，這個過程就叫做光電反應，愛因斯坦就因為這個發現得到了他的第一次諾貝爾獎。如果這個能量不足以使得自由電子脫離，那麼電子的能量就會落回去並且發出一道能量，這道能量就是反射光。

玻璃局域中是一種晶體，具有穩定的結構，其中的電子被束縛住了，不會和射入的光發生任何反應，而是原子組成的晶格結構和光發生反應，這種反應是允許光一部分透過去的，所以玻璃看起來就是透明的。

………

上學期剛考完無機材料物理性能

為什麼金屬不透光而非金屬具有很高的透光性？

從能帶角度分析，金屬對光的吸收很強烈，因為金屬的價電子處於未滿帶，吸收光子後呈激發態，用不著躍遷到導帶即能發生碰撞而發熱。

半導體材料由於禁帶較窄，滿電子吸收光子能量可躍遷到導帶發生碰撞而發熱，金屬和半導體往往不透明，在電磁波譜的可見光區，金屬和半導體的吸收係數都是很大的。但電介質材料，包括玻璃，陶瓷等無機材料的大部分在可見光區內都有良好的透光性，也就是說吸收係數很小，因為電介質材料的價電子所處的能帶是填滿的，它不吸收光子而自由運動，而光子的能量又不足以使價電子躍遷到導帶，所以在可見光區波長範圍內吸收係數很小。

——————————————

參考書《無機材料物理性能》

《材料科學基礎》

學渣?_?

通俗解釋可以看看我的專欄小文：

為什麼玻璃是透明的？ - Candela - 知乎專欄

有意思的問題，我也試著答一下。特意到網上搜索一下，沒想到如此簡單的問題，答案卻是眾說紛紜。我也只是按照自己的理解進行了整理，也引用了部分知乎內高人的觀點，各位看官該噴就噴，咱要說錯了立馬改正哈。。下面說正題：

　　看到這個問題，第一想法是液體是透明的，固體不是。雖然不絕對，但以我們通常的認知，生活中的大部分氣體和液體是透明的，而大部分固體是不透明的。這就和固體、液體和氣體的內部分子排列有關，引用一個網路圖片。

　　圖片中的磚塊比作構成物體的分子，當一種物質呈現固態的時候，分子之間的排列通常是整齊有序的，彼此連接也十分牢固，因此物質也就非常堅硬。當物質從固態轉化為液態時，彼此的連接強度降低，分子開始呈現隨機狀態排列。而在物質氣化的過程中，分子間的連接強度大幅減弱，分子的排列呈隨機狀態。當光穿過物體時，分子結構越鬆散，約容易穿過，這種分子結構從有序到隨機的排列過程就是光可以透過大部分液體和氣體的根本原因。但這並沒有解決根本問題，因為玻璃、冰等固體還是透明的，為什麼光可以透射過去呢？

　　現在從光的角度去想，通過最近一段時間的科普，已經知道光是一種電磁波，本質上和無線電波、X射線是一樣的，只是波段不同而已，而電磁波有兩個基本特性：頻率和波長。再引用一個網路圖片。

　　對於同一種物體，不同波段的電磁波所體現出的「透明」的特性是不是一樣呢？肯定不是了，拿人體來說，我們都知道不是透明的，但我們都去過醫院啊，醫院有X光啊，可以穿透肉體組織看到人體骨骼啊。那麼我們就知道啦，人體對於可見光來說是不透明的，但是對於X射線來說就是透明的了。如果我長了一個可以接收X射線的眼睛，是不是看到大街上都是骷髏呢？？？太可怕了。

　　Ok，現在我知道對於同一種物體來說，不同波段的電磁波，所體現出「透明」的特性是不同的，可以確定，電磁波的波長對於物體是否透明是有作用的。那我們再說回來，對於同一或者接近波段的電磁波（比如可見光），不同物體的那種特性決定了它是否透明呢？這裡只說透明啊，反射、衍射、折射等等光學概念就不說了。

　　我們知道，構成物質的基本粒子是分子，構成分子的是原子，構成原子的是原子核（中子、質子）和電子。光作為一種電磁波，本身是有能量的，冬日的陽光照射進屋子，總是感覺暖洋洋的啊。我們通常遇到的物質可以分為金屬和半導體兩種。

　　金屬很好理解啦，就是鐵、銅、鋁、金、銀等等。半導體可以想像塑料啊、木材啊、布料啊等等導電性差的物質。金屬對電磁波會有吸收作用的。打個比方，相當於電磁波入射到導體後，導體的自由電子跟電磁波打太極（極化），因此電磁波的能量變成了自由電子的熱運動，損失掉了。但天下武功，唯快不破，只要電磁波振蕩速度夠快（頻率夠高），金屬的自由電子就追不上，於是電磁波就能透過金屬了。說到這裡，看看上面電磁波的圖譜啊，越往左面，電磁波的頻率越高，穿透性也就越強了。

　　而半導體（跟絕緣體類似），有個能帶間隙的概念，在這個能量範圍以內，不允許有電子態出現。也就是說，低能態的電子，如果不能吸收到超過能帶間隙寬度的光子而躍遷到更高的能態，那這些低能電子就只能繼續低能著。所以，能量小於能帶間隙的光子，可以自由穿過，而不被電子吸收。所以，到這裡，又變成了頻率越低（能量越低）的光子（電磁波）越容易穿過。比如，可見光（500nm波長）的光子能量大概是2.5eV，而鑽石的能帶間隙是5eV，所以鑽石對可見光是透明的。而單晶硅的能帶間隙是1.1eV左右，比可見光的能量小，所以單晶硅對可見光是不透明的。另外，如果物體結構被破壞，光線不能直接穿透，會在物體內部進行多次穿透、反射、折射、衍射等動作，物體就變成不透明了，會呈現白色。比如整塊的冰是透明的，砸碎了就不透明了，玻璃是透明的，玻璃粉就不透明了。【網上有些文章也提到過晶疇和晶界的概念，大意就是電磁波波長如果大於物質晶界，就可以在亞原子級別繞過物體內部結構，從而實現穿透，沒太看懂，有時間再研究吧。】

　　說到這裡，肯定有聰明的童鞋提問了，按照上面的電磁波譜，像手機信號、WIFI信號、無線電廣播這些電磁波的能量很低啊，為什麼能穿牆呢？其實不完全是穿過去的，而是有繞過去的一部分。從上面的電磁波譜能看到，無線電波的波長是從10m起的，長波無線電的波長能達到10的8次方（10萬公里），這種波長的無線電，基本上什麼牆啊、樓啊、山啊就都繞過去了。如果物體厚度比較小，比如牆體，也會透過一部分。

　　說了這麼多，基本上為什麼有些東西透明，有些不透明也就了解了。還是那句話啊，本人只是喜歡科普，不專業，如果有不對的地方，歡迎批評。

玻璃由硅原子和氧原子組成，原子中央為原子核，包含質子和中子，周圍是數量不一的電子。比起原子的尺寸，原子核和電子都微不足道，如果原子是一座足球場的話，那麼原子核就相當於是球場中央的一粒豆子，電子就是周圍看台上的人，因此原子內部其實是有很大的空隙，如果光照射原子的話，光束是可以從這些縫隙穿透過來的，不會撞到電子和原子核，如果這樣的話，應該說是為什麼所有的物體都不是透明的，而只有玻璃是透明的？

事實上原子周圍的電子是按照一定規則排布在體育場的座位上的，老老實實的待在制定的位置上，如果要想到更好的位置上去，就需要能量，而光就能帶來能量，光束穿透原子時帶來大量的能量，只要能量足夠，原子就能吸收光能把指定位置上的電子就能升遷到更好的位置上去，能量更高的位置上去，如果能量太小，電子也不能完成升遷，光也不會被吸收，所以電子必須取得恰到好處的能量，才能在不同排的位置之間移動，這種移動的法則就成為量子力學，排與排之間的落差是特定的能量值，叫做量子化。

然而玻璃里的量子排列方式與眾不同，使得電子升遷的能量遠遠高於可見光，因此可見光無法讓電子完成升遷，於是光源可以直接穿過原子，這就是玻璃透明的原因，紫外線之類的高能光能讓玻璃的電子完成升遷，因此無法穿透玻璃，所以玻璃可以防嗮，防紫外線。

答案借鑒和參考 Mark Miodownik《迷人的材料》一書，此書介紹了10種改變世界的神奇材料，鋼鐵、混凝土、紙張、塑料、玻璃。。獲得了《物理世界》評選的2014年最佳科普書，特別值得非材料專業人士、中小學科普介紹讀物，強烈推薦！！

因為玻璃是絕緣體，能帶的能隙很大，可見光波長範圍內的光的能量遠小於這個帶隙，電子不能吸收可見光，所以就透明了

《迷人的材料》用量子力學的角度解釋這個問題，感興趣可以看看

感覺以上回答都不是最專業。

很早以前人們就知道物質是由原子組成的，在原子中，電子圍繞著原子核轉，就如同地球圍繞著太陽轉一樣。

那麼問題來了：地球之所以圍繞著太陽轉，是因為引力的作用。而在電子和原子核之間，引力是可以忽略不計的，它們之間主要是電磁力的作用。電磁力和引力是不同的，根據電磁力的性質，電子應該是被吸進原子核才對，怎麼會是像地球圍繞著太陽轉一樣地圍繞著原子核轉的呢？

原來，電子的那軌道是有能級的。它不會從一個軌道移向另一個軌道，而是直接跳到另一個軌道。因此，它只有吸收或者釋放了剛剛能夠讓它跳到另一個軌道的能量時，它才會改變它的軌道，否則，它就不會吸收一點能量，不會跳到其他軌道。這樣，這個問題就好理解了：光是具有粒子的性質的，它的大小隻和它的波長有關。因此，只要光子的大小不是剛剛好，無論是太大還是太小，它都不會被吸收一點。於是，它就整個地穿過去了。

玻璃態的金屬呢？應該可以透明吧。