[科普中国]-半透明

简介

在光学领域，透明度是允许光通过材料而不分散的物理性质。在宏观尺度（其中所研究的尺寸大小比所讨论的光子的波长大得多），光子遵循斯奈尔定律。半透明度是透明度的超集：它允许光线通过，但不一定符合斯奈尔定律；光子可以分散在两个接口中的任何一个。换句话说，半透明介质允许光的传输，而透明介质不仅允许光的传输，而且允许图像形成。透明度相反的特性是不透明度。透明材料看起来清晰，整体外观为一种颜色，或任何组合，生成每种颜色的光谱。

当光线遇到材料时，它可以以几种不同的方式与它进行交互。 这些相互作用取决于光的波长和材料的性质。 光子通过反射、吸收和透射的某种组合与物体相互作用。 一些材料，比如平板玻璃和干净的水，将大部分的光传输到它们身上，几乎没有反射，这种材料被称为光学透明的。 许多液体和水溶液都是高度透明的。绝大多数液体的结构缺陷(空洞、裂纹等)和分子结构主要是光学传输的主要原因。

不透光的材料叫做不透明材料。许多这样的物质有一种化学成分，其中包括被称为吸收中心的物质。许多物质对白光频率的吸收是有选择性的。它们吸收特定部分的可见光谱，同时反射其他部分。不被吸收的光谱的频率可以通过我们的物理观测得到反映或传播。这就是产生颜色的原因。所有频率和波长的光的衰减是由于吸收和散射的联合机制。

透明可以为动物们提供完美的伪装。在光线暗淡或浑浊的海水中，这比在良好的光照下更容易。许多海洋动物，如水母，都是高度透明的。1

介绍关于光的吸收，主要包括：

（1）在电子层面，光谱的紫外和可见光（UV-Vis）部分的吸收取决于电子轨道是否量化，使得它们能够吸收特定的光（或光子）量子频率，并且不违反选择规则。 例如，在大多数眼镜中，电子在与可见光相关的范围内没有可用的能量水平，或者如果它们这样做，则它们违反选择规则，意味着在纯（未掺杂的）玻璃中没有明显的吸收，使得它们是理想的建筑窗户的透明材料。

（2）在原子或分子水平上，光谱的红外部分的物理吸收取决于原子或分子振动或化学键的频率，以及选择规则。氮和氧不是温室气体，因为没有分子偶极矩。

关于光的散射，最关键的因素是所有这些结构特征相对于散射光波长的尺度。主要包括：

（1）晶体结构:原子或分子是否表现出晶体固体中的“长期顺序”。

（2）玻璃结构:散射中心包括密度或组成的波动。

（3）微观结构:散射中心包括内部表面，如晶粒边界、晶体缺陷和微孔。

（4）有机材料:散射中心包括纤维和细胞结构和边界。

透明度物体可能不透明，因为它反射入射光或者吸收入射光。几乎所有的固体都反映了一部分并吸收了一部分入射光。

当光落在金属块上时，它遇到紧密堆积在规则晶格中的原子，“原子之间的电子”随机移动。在金属中，大多数是非键合电子（或自由电子），与通常在共价键合或离子键合的非金属（绝缘）固体中发现的键合电子相反。在金属键中，晶体结构中的原子可能容易损失任何潜在的键合电子。这种离域的作用只是夸大了“电子之海”的作用。作为这些电子的结果，大多数金属中的入射光被反射回来，这就是为什么我们看到闪亮的金属表面。

大多数绝缘体（或介电材料）通过离子键保持在一起。因此，这些材料不具有自由传导电子，并且键合电子仅反射入射波的一小部分。剩余的频率（或波长）可以自由传播（或传输）。这类材料包括所有陶瓷和眼镜。

如果电介质材料不包含吸光剂添加剂分子（颜料，染料，着色剂），通常对可见光的光谱是透明的。电介质中的颜色中心（或染料分子或“掺杂剂”）吸收入射光的一部分。剩余的频率（或波长）可以自由地被反射或传输。这就是彩色玻璃的生产方式。

大多数液体和水溶液是高度透明的。例如，水，烹饪油，酒，空气和天然气都很透明。没有结构缺陷（空隙，裂纹等）和大多数液体的分子结构主要是由于它们优异的光学传输。液体通过粘性流动“内部”缺陷的能力是为什么一些纤维材料（例如纸或织物）在润湿时增加其表观透明度的原因之一。液体填充了许多空隙，使得材料在结构上更均匀。

在不提供入射光的散射中心的理想的无缺陷结晶（非金属）固体中的光散射将主要是由于在有序晶格内的非谐波的任何影响。由于结晶物质的典型各向异性，包括它们的对称性组和布拉维斯晶格，光透射将是高度定向的。例如，七种不同的晶体形式的石英二氧化硅（二氧化硅，二氧化硅）都是透明材料。2

在光波导光学透明材料专注于材料对波长范围内的入射光波的响应。通过频率选择性波导的引导光波传输涉及光纤的新兴领域，以及某些玻璃组合物同时用作传输介质的频率范围（多模光纤），波长之间很少或没有干扰。这种通过电磁（光）波传播的能量和数据传输的共振模式是相对无损的。

光纤是通过全内反射过程沿其轴传播光的圆柱形介质波导。纤维由包层包围的芯组成。为了将光信号限制在芯中，芯的折射率必须大于包层的折射率。折射率是反映材料中光速的参数。 （折射率是真空中的光速与给定介质中的光速之比，因此真空的折射率为1.）折射率越大，光在该介质中的行进越慢。光纤的芯和包层的典型值分别为1.48和1.46。

当在致密介质中行进的光以陡峭的角度撞击边界时，光将被完全反射。称为全内反射的这种效应用于光纤中以将光限制在芯中。光线沿着纤维从边界反复弹跳。因为光必须以大于临界角的角度撞击边界，所以只有在一定角度范围内进入光纤的光将被传播。角度范围称为光纤的接收锥。该接收锥体的尺寸是纤维芯和包层之间的折射率差异的函数。光波导用作集成光电路（例如与激光器或发光二极管）组合或作为本地和长距离光通信系统中的传输介质的组件。

伪装在表面附近漂浮的许多海洋动物高度透明，给他们几乎完美的伪装。然而，由具有与海水不同的折射率的材料制成的物体的透明度是困难的。一些海洋动物如水母具有主要由水组成的凝胶体;它们的浓厚的mesogloea是无细胞和高度透明的。这便于使他们浮起来，但它也使他们的肌肉量大，所以他们不能快速游泳，这种形式的伪装成为一种代价高昂的移动性权衡。明胶浮游动物的透明度在50-90%之间。 50%的透明度足以使动物对诸如鳕鱼之类的捕食者不可见，深度为650米（2,130英尺）;在较浅的水域，光线更亮，捕食者可以看到更好的隐形，需要更好的透明度。例如，鳕鱼可以看到在浅水中最佳照明中98%透明的猎物。因此，在更深的水域中更容易实现伪装的足够的透明度。出于同样的原因，空气透明度更难实现，但在南美洲雨林的玻璃青蛙中发现了半透明的皮肤和淡绿色四肢的一个例子。3