玻璃為什麼是透明的？
― 明明是用沙做的，卻完全擋不住光
玻璃的原料幾乎就是沙。可是沙不透明，玻璃卻能清楚看見另一邊。答案是「光太弱，玻璃根本不理它」，以及「玻璃裡面沒有會把光反彈回來的界面」。這兩個條件同時成立時，東西就會是透明的。
下雨天，小朋友把臉貼在窗戶上看著外面。然後回過頭來問：「欸，為什麼玻璃可以看到外面？牆壁就看不到呀。」
你正想回答「因為它是玻璃啊」，卻說不出話來。仔細想想，聽說玻璃是把沙子融化做成的。可是海邊的沙子，怎麼看都不透明。
材料明明一樣，一個透明，一個卻不透明。順著這個差異追下去，就能找到「透明到底是什麼」的答案。
透明的理由只有兩個
物體要吸收光，光必須能推動物體裡的電子才行。要推動玻璃的電子需要很大的力量，可見光完全不夠。所以光什麼事也沒發生，就直接穿了過去。
光每到兩種物質的交界處，就會稍微轉彎或反彈一點。玻璃的內部是均勻的，沒有細小的界面。所以光可以筆直地穿到另一側。
這兩個條件缺一不可。就算不被吸收，只要界面太多，就會變成混濁的白色；就算沒有界面，只要被吸收，就會帶上顏色而變暗。我們一個一個來看。
對玻璃來說，可見光「太輕了」
我們可以把光想成許多帶著小小能量的粒子飛過來。每一個粒子的能量，由光的顏色決定。紅光的粒子能量小，紫光的粒子能量大。
物體裡有被原子束縛住的電子。電子只有在得到足以一口氣爬上某個固定高度「台階」的能量時，才會接收光粒子。夠不到台階的粒子，就不會被接收。也沒有「差一點點」這種情形。
請看圖 1。縱軸的高度是單一光粒子的能量。玻璃主要成分（二氧化矽）的電子要爬的台階，大約是 9。可見光就算是最強的紫光，也只有 3 左右。連台階的三分之一都不到，所以玻璃對光不理不睬。光只能直接穿過去。
把滑桿一路拉到最左邊，就進入紫外線的範圍。紫外線的粒子能量大，會開始被窗玻璃所含的成分吸收。據說窗玻璃能擋掉造成曬傷的紫外線中，波長較短（能量較大）的那一部分。不過波長較長的紫外線大多能穿過去，所以待在窗邊還是會曬黑。
相反地，有顏色的玻璃是刻意混入少量金屬等物質，製造出台階較低的電子。這些電子只會吸收特定顏色的光，剩下的顏色就讓玻璃看起來有了顏色。
同樣是玻璃，磨成粉就變白
如果只談電子，沙子和玻璃一樣都是二氧化矽，應該也能看穿才對。可是海邊的沙子並不透明。這時候就要靠第二個理由：「界面」。
光每次從空氣進入玻璃、從玻璃回到空氣，都會稍微被反彈一點，前進的方向也會偏折。窗玻璃的界面只有正面和背面 2 次。反彈的光加起來不到一成，其餘的都筆直穿過。
可是在沙堆或敲碎的玻璃裡，光每碰到一顆小顆粒，就要轉彎、反彈，一路下來有幾百次、幾千次。最後光往四面八方散開，連原本來的那一側也會有光回來。所有顏色都以同樣的方式散開，所以看起來就是白色（圖 2）。
類似的例子在生活中很多。透明的冰塊刨細之後，就變成白色的刨冰。透明的水晶和偏白的沙子，成分同樣是二氧化矽。石頭和木頭不透明，也是因為裡面有無數小結晶或細胞之間的空隙，這些都是界面。
玻璃是把融化的材料，在結晶形成之前就冷卻凝固做成的。因此裡面不會形成顆粒的界面，不管從哪裡切開，內容都一樣。這種「徹底均勻」的構造，支撐著它的透明。
金屬裡有許多不受原子束縛、可以自由跑動的電子。這些電子幾乎沒有「要爬的台階」，所以對任何顏色的光都立刻有反應，並把光反彈回去。金屬看起來閃閃發亮、看不穿另一邊，就是這個緣故。這和玻璃的機制正好相反。
毛玻璃之所以看不見另一邊，是因為表面細小的凹凸變成「界面」，把光散開了。這時候抹上水，水會填滿凹凸之間的縫隙。水和玻璃使光彎折的程度很接近，界面就不明顯了，於是變得透明許多。
總結
玻璃之所以透明，是因為兩個條件同時成立：可見光太弱，推不動玻璃的電子，所以不會被吸收；而且玻璃裡面沒有會把光反彈的界面。即使是同樣的材料，磨成粉、讓界面增加，就會變白。
透明，就是光「沒被理會」，
而且「沒被阻擋」。
光在界面上散開而讓東西看起來是白色的機制，在冰是透明的，雪為什麼看起來是白的？這篇裡有更詳細的介紹。至於玻璃到底是固體還是液體，請看玻璃是固體還是液體？。關於隔著窗戶的紫外線，陰天為什麼也會曬傷？也值得參考。
- 把冰糖和糖粉並排放著。兩者都是糖，但顆粒大的冰糖是透明的，細緻的糖粉卻是純白色。可見顆粒越細，界面就越多。
- 如果家裡有毛玻璃，用手指抹一點水。抹到的地方，另一邊會隱約看得見。貼上透明膠帶，也會同樣變透明。
- 在白色的衛生紙或紙上滴 1 滴沙拉油。浸到油的部分會變半透明。這是因為油填滿了紙纖維之間的縫隙（界面），光就不容易散開了。
故意把玻璃打破或敲碎來驗證很危險，請不要這麼做。用糖或紙就能確認同樣的機制。
想知道更多的人 ― 術語・算式・與課本的關聯明確標示內容相當於國中理化到大學專業課程的哪個程度
- 國中國中理化學到的範圍
- 高中高中「物理」「化學」學到的範圍
- 高中＋高中的進階內容，或課本專欄的內容
- 大學高中不會學到、大學專業課程（固態物理・光學）的內容
- 研究連大學也不當成「定論」來教、目前研究者仍在探討的話題
國中術語：這個現象是有名字的
- 光的折射與反射：光來到性質不同的物質交界處時，前進方向彎折或被反彈的現象。這是國中就會學到的光的基本性質。
- 光子：把光看成「能量粒子」時的稱呼。單一光子的能量，由光的顏色（波長）決定。
- 非晶質（amorphous）：原子沒有規則排列成結晶，而是雜亂地凝固而成的固體。玻璃是代表，不會形成顆粒的界面。
國中高中用算式確認：可見光是玻璃台階的幾分之一
從波長算出單一光粒子的能量，再和玻璃電子要爬的台階（約 9 電子伏特）比較。電子伏特這個單位，是 1 個電子經過 1 伏特電壓所得到的能量，是原子世界的「尺」。
| 用符號寫 | E ＝ h × c ÷ λ |
| 用文字寫 | 單一光粒子的能量 ＝ 普朗克常數 × 光速 ÷ 光的波長 |
| 這個式子從哪裡來 | 光粒子的能量和頻率成正比（愛因斯坦的光量子假說）。頻率等於「光速 ÷ 波長」，所以波長越短，能量越大。 |
| E | 單一光粒子的能量（單位是電子伏特） |
| h | 普朗克常數（自然界固定的數值） |
| c | 光速（每秒約 30 萬公里） |
| λ | 光的波長（單位是奈米。1 奈米是 100 萬分之 1 毫米） |
| h 與 c 相乘的值（以電子伏特與奈米表示） | 約 1240 |
| 綠光的波長 | 550 奈米 |
| 可見光中最短的波長（紫） | 約 400 奈米 |
| 石英玻璃電子要爬的台階 | 據說約 9 電子伏特 |
| 窗玻璃開始吸收的大致位置 | 據說約 4 電子伏特 |
| 綠光單一粒子的能量 | 1240 ÷ 550 ≒ 2.25 電子伏特 |
| 紫光單一粒子的能量 | 1240 ÷ 400 ＝ 3.1 電子伏特 |
| 台階是最強紫光的幾倍 | 9 ÷ 3.1 ≒ 2.9 倍 |
| 窗玻璃開始吸收的波長（把式子反過來用） | 1240 ÷ 4 ＝ 310 奈米 |
可見光就算是最強的紫光，也只達到台階的三分之一左右。窗玻璃開始吸收的位置在 310 奈米附近，屬於肉眼看不見的紫外線範圍。所以可見光全部穿過，玻璃看起來就是透明的。
高中高中＋表面的反射與折射率
高中表示光有多容易彎折的數值叫折射率，空氣幾乎是 1，窗玻璃約為 1.5。界面兩側的折射率差越大，反射就越強。光從正面垂直射入時，每個玻璃表面的反射據說約 4%，正反兩面加起來不到一成。
高中＋毛玻璃抹上水（折射率約 1.33）就會變透明，是因為界面兩側的折射率差從「0.5」縮小到「0.17」左右。這種消除界面差異而使物體透明的想法，稱為折射率匹配，也被用在以顯微鏡觀察生物時，讓生物身體變透明的技術上。
大學能帶理論與光纖的極限
在大學的固態物理中，電子可以具有的能量範圍稱為能帶，電子無法存在的「台階」稱為能隙（禁帶）。光子的能量比能隙小時，就無法把電子抬到上方的能帶，光也就不會被吸收。這就是透明絕緣體的基本機制。金屬沒有能隙，由自由電子把光反射掉。
即使如此，也沒有完全均勻的物質。玻璃在凝固時，會把極微小的密度不均封存在內。光被這種不均勻散開的現象稱為瑞利散射。通訊用的光纖，主要損耗就來自這種瑞利散射，據說即使在光衰減最少的波長，每公里仍會減弱約 0.2 分貝（約 5%）。
📖 算式的推導與更進階的內容：能隙（維基百科） ／ 光子（維基百科）
研究目前還不清楚的事
- 玻璃為什麼可以不結晶就凝固？ 液體冷卻時動作突然變慢的「玻璃轉變」，據說至今仍是物理學中爭論不休的大問題之一。
- 光纖可以做到多透明？ 研究者正在探索各種突破瑞利散射限制的辦法，例如減少密度不均的材料，以及中心是空心的光纖。
- 讓原本不透明的東西變透明的技術。 已經開發出抽掉造成木頭顏色的成分、再用樹脂填滿空隙的「透明木材」，以及消除顆粒界面的透明陶瓷。能實用到什麼程度，還在研究途中。
也就是說，這篇文章的內容也只是「就目前所知範圍內的說明」。雖然已經了解透明的基本原理，但要把它提升到極致的方法，至今仍在摸索。
與課本的關聯（依程度分類）
| 程度 | 科目・單元 | 本文的哪裡 |
|---|---|---|
| 國中 | 理化一年級「光的反射與折射」 | 光在界面上彎折、被反彈（圖 2） |
| 高中 | 物理「光的折射率」「光子的能量」 | 用算式確認、表面的反射 |
| 高中＋ | 物理・化學進階「非晶質」「折射率匹配」 | 毛玻璃與水、玻璃的製法 |
| 大學 | 固態物理「能帶理論」、光學「瑞利散射」 | 台階（能隙）、光纖 |
| 研究 | 玻璃轉變、透明的新材料 | 研究的段落 |
| ― | 與生活的關聯 | 窗邊曬傷、毛玻璃、有色玻璃 |
- 維基百科「バンドギャップ」（能隙）
- 維基百科「光子」
- 作花済夫『ガラス科学の基礎と応用』（玻璃科學的基礎與應用）內田老鶴圃
- 高中物理課本（光的折射・光子能量單元）
- C. Kittel, Introduction to Solid State Physics, Wiley（能帶理論的標準教科書）
※本文是寫給一般讀者的科學解說。文中的數值是為了幫助理解機制的參考值與概算。玻璃的吸收與反射數值，會依玻璃的種類與厚度而不同。打破或敲碎玻璃的實驗有受傷的危險，請不要進行。