玻璃的科學

普通玻璃的成分主要是二氧化矽〈即石英,砂的主要成分〉〈見插圖1〉,玻璃的主要成分石英〈見插圖2〉。製造玻璃時一般會加入蘇打與鉀鹼,這樣矽土熔點將降至攝氏1000度左右。但是碳酸鈉會使玻璃溶於水中,因此通常還要加入適量的氧化鈣使玻璃不溶於水。

圖二
來源:
維基百科

對可見光透明是玻璃最大的特點,一般的玻璃因為製造時加進了碳酸鈉,所以對波長短於400nm的紫外線並不透明。如果要讓紫外線穿透,玻璃必須以純正的二氧化矽製造,一般被稱為石英玻璃。純玻璃對紅外線亦是透明的,可以造成數公里長,作通訊用途的玻璃纖維〈見插圖3〉。

常見的玻璃通常亦會加入其他成分。例如看起來十分閃爍耀眼的水晶玻璃是在玻璃內加入鉛,產生更為眩目的折射。加入鋇亦可增加折射指數。玻璃加入鈰則會吸收紫外線。

在玻璃中加入各種金屬和金屬氧化物亦可以改變玻璃的顏色。例如:少量錳可以改變玻璃內因鐵造成的淡綠色,多一點錳則可以造成淡紫色的玻璃。硒亦有類似的效果。錫的氧化物及砷氧化物可造成不透明的白色玻璃,這種玻璃好像是白色的陶瓷。以金屬銅則會造成深紅色、不透明的玻璃,看起來好像是紅寶石。鎳可以造成藍色、深紫色、甚至是黑色的玻璃。微量的金造成的玻璃是非常鮮明,像是紅寶石的顏色。改變玻璃的溫度亦會改變這些化合物造成的顏色,但當中的化學原理相當複雜,至今仍然未被完全明解。

有時在火山熔岩中會出現天然的玻璃,稱黑曜石或火山玻璃。黑曜石可以用來造成簡單的尖刀。