從古至今,光就是人類探索自然奧秘的重要媒介,它不僅給人類帶來光明,也間接推動了人類科學技術的發展。
長久以來,有關光的本質和行為一直都是科學界熱點議題,人們一直為光是基本粒子,還是電磁波而爭論不休。
後來,經過愛因斯坦確定,光具有波粒二象性,也就是說光同時具有粒子性,也具有波動性。光的波動性,能夠讓光像水波一樣傳播,而粒子性,則讓光以光子的形式存在,光子則是光的能量載體,每個光子都攜帶一定的能量。
因此,當我們說光是一種物質的時候,是在強調它具有能量和動量,能夠與物質相互作用。例如:光可以加熱物體,引發化學反應等。
說光是一種物質,是因為其符合物質的基本定義,就是佔據空間也具有品質。雖然作為光組成基本單位的光子,在靜止狀態下為零,但光子始終處於運動狀態,根據愛因斯坦的質能方程式,在運動狀態下的光子,是具有相對論品質。
想要知道光為何無法穿過牆壁,而可以穿過玻璃,要從光子與物質相互作用這方面來瞭解。
首先,我們來看看牆壁,其組成主要是由混凝土、磚頭和鋼筋等材料組合而成,在微觀層面上來看在,這些材料性質不一,其內部的分子和原子的排列也不太規則。
當光照射到牆壁上的時候,光子與牆壁中的原子和分子相互作用,這種相互作用可以通過多種方式發生。
光子在進入到牆壁後,會被牆壁中的原子或分子吸收,,這種吸收過程會將光子的能量轉化成為其他方式的能量,一般常見的就是熱能,這也是為何冬天的牆壁,靠上去的時候暖洋洋的,因為光子把其攜帶的能量部分轉化成為熱能了。
在這個過程中,也不是所有的光子都被吸收,有部分的光子會被散射開來,就是光子與牆壁內的原子或者分子發生碰撞后,會改變光子的方向,從不同的角度離開牆壁,這種散射是多個方向的,意味著光子會向四面八方散發開來,而不是沿著直線穿過牆壁。
其次,光無法穿過牆壁也與牆壁的厚度和密度有關,通常牆壁的厚度比較厚,同時密度也比較大,當光子在穿越過程中,牆壁越厚,意味著光子需要穿過更多的原子或者分子,增加了光子與牆壁材料發生作用的次數。
而牆壁的密度越大,也就意味著在單位體積內,與更多的原子或者分子發生作用。這也是為何一些光無法穿過的物體,當其足夠薄的時候,就會出現透光的現象,就是這個原理。
我們都知道一個現象,那就是玻璃是“透明”的,透明就是可以透過這個物體,看到外面,也就是說光線可以穿過這個物體。
在自然界中,除了玻璃,還有水晶、水和空氣,都是透明的,也就是說光都可以穿過這些物體,那麼是什麼原因,讓光這種物質可以穿過這些物體,而無法穿過牆壁等一些物體呢?
這個主要與玻璃的原子排列結構有關,我們都知道玻璃的主要成分是二氧化矽,這是地球上一種極為豐富的化合物,是地殼中最常見,也是數量最多的物質之一。
在玻璃的內部,原子和分子排列非常規則,雖然玻璃是一種非晶體的物體,但是玻璃種的矽和氧原子通過共價鍵,形成一個複雜的三維網路。
在固體物理學中,有該帶隙的概念,帶隙是導帶的最低點到最高點的能量之差。材料的電子帶隙對光的吸收和透過有著重要的影響。由於玻璃特殊的三維結構,導致玻璃中的帶隙比較大,而帶隙越大,電子有價帶被激發的導帶越難,意味著它的價帶電子需要吸收更多的能量才能躍遷到導帶。
而可見光的能量通常不足以使玻璃中的電子躍遷到導帶,因此光在玻璃的內部不容易被吸收,而可以透過玻璃。
從巨集觀上來說,由於玻璃的內部結構,導致光子可以穿過玻璃內部的分子結構,不會被吸收和散射,而是穿過玻璃。
雖然玻璃不會吸收和散射光子,但是會對光線產生折射,並且玻璃的折射率也比較高,這是由於二氧化矽對光的回應特徵決定的。
當光從空氣進入到玻璃時,由於玻璃的折射率高於空氣,因此,光的速度會減慢,同時傳播方向也會有所改變,不過這種改變是可以預測的。
值得注意的是,不同頻率和波長的光,在穿過玻璃的時候,由於折射率不同,因此會被不同程度的折射和分散,因此太陽光在穿過三棱玻璃的時候,會形成彩虹的現象。
通過上面的內容,可以得出結論,那就是光能穿過玻璃而無法穿過牆壁,究其原因,就是玻璃和牆壁內部原子結構和物理性質差異所導致的。
玻璃內部原子排列高規則性和均勻性,使的光子能夠沿著特定的路線傳播,而不被大量的散射和吸收。
而牆壁內部的原子結構雜亂無章,導致光子在穿越過程中被大量吸收和散射,導致光子被消耗掉,因此無法穿越牆壁。