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玻璃透光的奧祕-《10種物質改變世界》

玻璃為何如此神奇,竟然會是透明的?光為何能穿透這種固體,其他物質為何無法讓光穿過?玻璃的組成原子明明和沙子一模一樣,為什麼沙子不透明,玻璃卻能透光和屈折光線?玻璃(和其他一些材料)是由矽原子和氧原子組成。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。假設原子是一座體育場,原子核就是場中央的一顆豆子,電子就是周圍看台上的沙粒。因此,原子內部(應該說所有物質內部)幾乎都是空的。換句話說,原子應該有許多空隙能讓光穿透,不會撞到電子或原子核,而事實也是如此。因此,真正的問題其實不是「玻璃為什麼是透明的?」而是「為何不是所有物質都是透明的?」

原子,PanSci

原子的內部幾乎是空的。Source: 10種物質改變世界

讓我們繼續使用體育場的比喻。在原子體育場內,電子只能占據看台上的某些位子,就好像大多數座位都移走了,只剩下幾排留著,而每個電子只能待在指定好的某一排。電子若想升等到更好的位子,就得多付錢,而所謂的錢就是能量。光穿透原子時會帶來大量能量,只要量夠,電子就會用它升等到更好的位子,也就是會把光給吸收,使光無法穿透物質。

不過,事情還另有蹊蹺。光的能量必須恰到好處,讓電子可以從現在的位子跳到其他空位上。能量太小,拿不到前一排的位子(也就是到前一排所需的能量太高),電子就無法升等,光也就不會被吸收。電子必須取得恰到好處的能量,才能在不同排的位子間(稱為能態)移動,這是原子世界的基本法則,稱為量子力學。排與排之間的落差是特定的能量值,稱為量子。玻璃裡的量子排列方式與眾不同,使得移動到空位的能量高於可見光,因此可見光無法讓電子升等座位,於是能直接穿過原子。這就是玻璃透明的原因。然而,紫外線之類的高能光就能讓電子升等,因此無法穿透玻璃。這就是為什麼玻璃能防曬,因為紫外線根本無法穿透玻璃碰到我們。木頭和石塊之類的不透明材質,擁有大量的便宜座位,因此可見光和紫外線都很容易被吸收。

就算光沒被玻璃吸收,穿過原子時還是會受到影響而減慢速度,直到穿出玻璃的另一面後才會回復原速。若光以斜角進入玻璃,由於光的各組成元素(單色光)進出玻璃的時間不同,使得各色光在玻璃內的前進速度產生差異。這個速度差會讓光折屈,也就是折射。光學鏡片就是依據折射原理製作的。鏡面弧曲會讓不同角度的入射光以不同角度折射,只要控制鏡面曲度就能放大影像,讓人類得以製作顯微鏡和望遠鏡,也讓戴眼鏡的人能看清楚東西。

眼鏡,PanSci

眼鏡利用凹透鏡發散光線的性質,讓物體能成像在近視者的視網膜上。Source: wiki/Hackfish

玻璃推動科學進展

控制鏡面曲度的更深遠影響,是讓光變成了可實驗的對象。玻璃工匠在幾百年前就已經發現,陽光以某個角度穿透玻璃時,會在牆上形成迷你彩虹,卻一直無法解釋其原因,只能看圖說故事,推斷顏色是在玻璃內形成的。要到 1666年科學家牛頓發現看圖說故事是錯的,並提出正確的解釋,世人才終於明白背後的道理。牛頓的天才之處在於發現稜鏡不只能讓「白光」變成七彩色光,還能反轉整個過程,把七色光回復為白光。於是他推論,玻璃產生的七種色光其實一開始就在光裡。這些色光混成一道光線,從太陽直射而來,進入玻璃後才又各自分散。光穿透水滴會造成迷你彩虹,也是同樣的道理,因為水也是透明的。牛頓就這樣一舉破解了彩虹的祕密,成為提出彩虹原理的第一人。

Light dispersion of a mercury-vapor lamp with a prism made of flint glass

三稜鏡能將白光分成不同色光是因為不同波長的光在玻璃中的速度不一樣。Source: wiki/D-Kuru

利用實驗替彩虹找出合理的解釋,不僅展現了科學思考的威力,也凸顯了玻璃對科學實驗及破解宇宙奧祕的貢獻。並且玻璃的功勞可不僅限於光學,化學更是因它而改頭換面,得到的幫助比任何學科都大。只要走一趟化學實驗室就能明白,玻璃的透明與惰性,讓它非常適合用來混合化學物質和觀察反應。在玻璃試管發明之前,化學反應都在不透明的燒杯裡進行,因此很難看到過程變化。有了玻璃這種材質,尤其是派熱司( PYREX)玻璃問世之後,化學總算進階成為一門有系統的科學。

派熱司玻璃是加了氧化硼的玻璃。氧化硼分子和氧化矽分子一樣,很難形成結晶,更重要的是玻璃加了它會抑制熱脹冷縮。玻璃溫度不均時,不同部位的脹縮速率不同,會彼此擠壓,在玻璃內部形成應力,產生裂痕最後導致破裂。要是玻璃瓶裡裝的是沸騰的硫酸,瓶子碎裂還可能讓人殘廢甚至死亡。硼矽玻璃(派熱司是商標名稱)的出現讓玻璃的熱脹冷縮從此絕跡,也連帶去除了應力,讓化學家可以隨意加熱或冷卻化學物質,專心研究化學現象,不必擔心可能的熱衝擊。

實驗器材,玻璃,PanSci

派熱司玻璃較一般玻璃更不易熱漲冷縮,讓化學家使用玻璃器材操作反應時,不必擔心玻璃碎裂爆炸。Source: wiki/Tweenk

玻璃還讓化學家只用噴燈就能彎曲試管,製作複雜的化學器具(例如蒸餾瓶和氣密容器)也容易許多,讓他們可以隨心所欲蒐集氣體、控制液體和操弄化學反應。玻璃器材是化學家最聽話的僕人,好用到專業的化學實驗室都至少有一台吹玻璃機。有多少諾貝爾獎是玻璃從旁邊推了一把?又有多少現代發明萌生於小小的試管裡?玻璃技術是否推動了十七世紀的科學革命,兩者是不是簡單的因果關係,目前還未有定論。玻璃看來更像是必要條件,而非充分條件。但有一點毋庸置疑,就是東方忽視了玻璃整整一千年,而玻璃卻在這段時間徹底改變了歐洲人一項最寶貴的傳統。

玻璃揭開啤酒的面紗

雖然有錢人幾百年前就開始用玻璃杯喝紅酒,但啤酒直到十九世紀之前,都還是用不透明的容器,如瓷杯、錫杯和木杯等來飲用。由於大多數人都看不見自己喝的酒是什麼顏色,因此只在乎啤酒的味道,對啤酒的色澤也就不太在意。當時啤酒大多是深棕色且很混濁,但到了 1840年,現屬捷克的波希米亞地區發明了大量製造玻璃的方法,使玻璃造價降低許多,於是啤酒都能用玻璃杯盛裝。酒客終於見到自己喝的啤酒是什麼模樣,結果卻常常大失所望:所謂的頂層發酵啤酒不僅味道各異,顏色和透明度也不一樣。但不出十年,捷克的皮爾森地區就開發出了色澤較淡的底層發酵啤酒,外觀金黃澄澈,而且和香檳一樣也有氣泡。這就是窖藏啤酒。窖藏啤酒不只好喝,而且好看,它的金黃色澤也一直延續到現在。諷刺的是,這麼適合用玻璃杯品嘗的啤酒,現代人幾乎都用鋁罐喝,而一般人常用玻璃杯喝的啤酒,反倒是最不透明的啤酒。它是玻璃杯出現之前就有的古董:健力士黑啤酒

健力士黑啤酒,PanSci

健力士黑啤酒。Source: wiki/Liftarn

用玻璃杯喝啤酒還有一個意料之外的副作用。據英國政府統計,每年遭到酒杯或酒瓶攻擊的人數超過五千,消耗健保費用超過二十億英鎊。雖然不少酒館和夜店嘗試過許多種的塑膠杯,這些塑膠杯同樣透明堅固,卻始終不成氣候。

用塑膠杯喝啤酒跟用玻璃杯喝,感覺完全不同。塑膠不僅味道不同,而且熱傳導係數較低,使它在口中感覺比玻璃溫暖,降低了暢飲冰啤酒的快感。此外,塑膠還比玻璃柔軟許多,因此很快就會失去光澤、滿布刮痕、不再透明,不僅會遮住啤酒的亮眼色澤,還會影響我們對杯子乾不乾淨的觀感。玻璃的一大魅力就是它外表晶瑩剔透,就算有髒汙也感覺乾淨,讓我們願意接受集體催眠,不去想這酒杯可能一小時前才碰過別人的嘴。

 

10種物質改變世界,PanSci本文摘自《10種物質改變世界》,由天下文化 出版。

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