透明與不透明的神秘面紗，日常生活中隨處可見，為何水晶、鑽石通透，而金、銀、銅、鐵遮掩光線，玉石與某些陶瓷則半隱半現？這些平凡中的奇異現象，背後潛藏著物理學的深奧之謎。本文試圖以淺顯易懂的文字，帶您探索這背後的科學原理。
本文將深入探討量子力學和量子場論的相關知識。儘管將盡量避免使用複雜的數學公式與專業術語，但為了清晰闡述問題，難免會涉及一些相對艱深的理論。
光的本質——光，是粒子亦是波
探討透明度前，必須先理清光的本質。學過物理的朋友們都知道，光既可被視為無質量的粒子，又可視為電磁波，光的這種性質被稱作波粒二象性。
光的波粒二象性
那麼，是否電磁波是由連續的光子構成的？我們所見的光，是光子一粒粒飛入眼中形成的圖像？這樣的說法並不精確。準確地說，電磁波是由無窮多個攜帶能量的光子疊加而成。
在量子學中，光子被冠以“光的能量子”或“能量子”之名。之所以強調能量子的重要性，是因為量子學認為電磁場的能量是一份一份的，只能一份一份地發射和吸收。而經典物理學則將電磁場的能量視為連續的，不特別定義“能量子”，而直接將其視為光子。
“能量子”的重要性，在下文的討論中將得以體現。
固體的構成——原子構成物質，原子與共價鍵構建固體世界
物質大都是由原子構成的。原子由原子核與核外電子組成，多數原子的核外電子呈分層分佈。原子間通過最外層電子形成共價鍵，連接成固體。由於固體中的共價鍵將原子緊固在一起，原子間的位置相對固定，不易移動，因此固體的巨集觀形態通常穩定不變。
固體可細分為晶體、非晶體和準晶體三大類，這三者都有可能呈現透明狀態。
晶體廣泛存在於自然界，鹽、白糖、冰、水晶、鑽石、金屬等都是晶體的例證。晶體又可細分為多種，單晶體的粒子結構規則，內部的原子、離子、分子等在三維空間週期性重複排列，形成特定晶格，因此常有固定形態。
非晶體則內部分子排列混亂，物理性質各方向相同，呈現“各向同性”。如玻璃、瀝青、珍珠、橡膠等。嚴格來說，由於非晶體無固定熔點，有些人不將玻璃視為固體，而是歸為玻璃體。
准晶體則是1982年發現的新型金屬化合物，它既非晶體，也異於非晶體。
光子能否“穿越”固體？
我們透過玻璃看世界，似乎光子輕而易舉地穿過了玻璃。然而，眼見是否為實？
光子體積微小，屬於玻色子。如果將光子比作綠豆，原子間的空隙和內部空間宛如廣場。然而，光子同時也是波，有其固定波長。
人眼可見光的波長介於380至780納米之間，頻率範圍約在4.2×10的14次方至7.8×10的14次方赫茲之間。固體中原子核周圍的空間並不大，電子並非固定於某點，而是以雲狀分佈；化學鍵長度通常不超過0.05納米；而固體的厚度遠超可見光波長。因此，無論是玻璃還是磚塊，留給光子的空間都過於狹窄，光子穿越固體時難免會撞上粒子。撞擊的結果可能為反射、散射或“吸收”。光子的命運既取決於其本身特性，也取決於固體中粒子的特性。
結論是：我們所見透進室內的光，可能並非來自窗外的同一光子。
光是如何通過固體的？
原子最外層的幾個價電子相對活躍，易與外界作用。攜帶能量的光能量子一旦進入電子軌道，便可能與電子發生耦合。
在晶體中，原子或分子遵循特定規律排布在晶格上，原子間存在相互作用。原子並非靜止，而是在相對固定位置振動。因此，晶體原子的振動並非獨立，它們可通過原子間作用力相互影響，類似於彈性力，晶體因此存在“彈性波帶隙”。物理學家將這種量子化了的彈性波最小單位稱作“聲子”，聲子實為“准粒子”，便於分析問題而創造的概念，並非真實存在。聲子為玻色子，可與光能量子發生耦合。
光子通過與電子、聲子的耦合，在固體中傳輸。此時的光子不再是原本的光子，而是全新的耦合態。這種態既包含了光子資訊，又與固體本身屬性相關。不同固體，其電子與聲子屬性各異，攜帶資訊的能力與方式也大相徑庭。因此，我們看到某些固體對某些頻率的光不透明，而某些頻率的光折射率更高。
當這種耦合態抵達出射面時，解除耦合，向外發射光子。這光子與最初射入固體的光子資訊高度相似，使我們誤以為是同一光子。然而，實際上是完全不同的光子。
為何有的固體不透明？
量子學中，有一種概念被稱為“能帶結構”，大致是說，單個電子因攜帶不同能量而有各自的能級；原子間因最外層電子相互作用形成化學鍵；大量原子結合，其最外層電子結合成能帶結構。物質不同，其能帶結構有別，電學與光學性質亦各異。
以半導體為例，自由電子受到光照射，光能量子被電子吸收並與之耦合，將電子從低能帶激發至高能帶；同時，高能帶電子有回落至低能帶的趨勢，在回落過程中釋放出相應能量的光能量子；光能量子以此方式在半導體中傳遞。
低、高能帶間有能量落差，即“能隙”。不同固體的電子能隙各異。如果電子的耦合能量不足以跨越能隙，則無法完成躍遷，釋放不出光子，表現為不透明。
絕緣體幾乎無自由電子，其能隙遠大於可見光能量，光子難以激發，電子亦不會釋放光子。對於非晶體，光波形式穿透；對於晶體，光子則與聲子耦合傳遞。因此，絕緣非晶體和晶體通常透明。
金屬導體，因最外層有大量自由電子，形成“電子海洋”。光子與金屬表面碰撞后，激發電子產生彈性回應，多數光子被反射，極少數被吸收。與吸收光量子耦合的自由電子，主要在費米能級附近躍遷，遠離能隙，只會產生熱能，不會激發新光子。因此，理論上金屬對可見光不透明。
某些看似不透明的固體，實則透明。
石頭是否透明？多數人會搖頭。但若將石頭磨成薄片，則會發現其透明。例如阿波羅11號帶回的月球岩石樣本10020，經打磨后可見其含亞硫酸鹽、橄欖石、玄武岩成分，其實可透光。
我們周遭許多看似不透明物體亦是如此，它們由許多微小晶體構成，各種物質組成的多晶體和微晶體在其晶界產生複雜漫反射，削弱了光線傳輸，使其無法從另一側射出。於是，我們看到的這些物體便是半透明或不透明的了。
總結：
物體透明與否，與光密切相關。光波越短、頻率越高，能量子越易激發電子躍遷，“穿透”物體。對可見光不透明的鐵、鋁，對X光與γ射線卻透明，因為X光波長短於原子間隙，而γ射線波長更短，它們可輕鬆穿透。
物體透明性與本身性質緊密相連，涉及是否存在自由電子、晶體排列方式及能帶結構等因素。
光子因攜帶能量被視作能量子，能量子通過與電子、聲子的耦合作用在固體內部傳播，以釋放相似光子的耦合結束，光是通過自由電子與聲子“攜帶”完成傳遞的。
金屬不透光，因表面自由電子反射可見光，與電子耦合的光子無法使電子完成躍遷，無法釋放光子，這些光能最終轉化為金屬原子振動的熱能。