石英玻璃：特性解析与应用领域探讨

关键点

玻璃是由二氧化硅(SiO2)和其他少量添加剂制成的非结晶、通常易碎、透明的固体材料。

根据几何光学原理，玻璃具有折射、反射和透射光的能力。

玻璃的颜色可以通过添加均匀分布的带电离子或通过沉淀细分散的颗粒来获得。

石英是一种丰富的矿物，由SiO4四面体的连续骨架组成。

石英晶体具有压电特性：它们在施加机械应力时会产生电势。今天，晶体振荡器是石英的常见压电用途。

纯石英无色透明或半透明。微晶品种大多是不透明的，而大晶往往是透明的。

压电性某些晶体响应施加的机械应力而产生电压的能力。

石英是地球表面丰富的矿物。其化学成分为二氧化硅，SiO2。它以多种形式存在，包括结晶和无定形。它存在于每个环境中。

玻璃一种固体透明物质，由沙子与苏打、钾碱和石灰的混合物熔化而成。

玻璃

玻璃是一种无定形(非结晶)固体材料。玻璃通常易碎且光学透明。几个世纪以来，人们熟悉的玻璃类型是钠钙玻璃，它由大约75%的二氧化硅(SiO2)和纯碱、石灰(CaO)中的氧化钠(Na2O)组成)，以及一些次要的添加剂。

天然玻璃陨石，一种由陨石撞击形成的天然玻璃，产自波西米亚的Besednice。

光学特性

玻璃的广泛使用主要是由于生产对可见光波长透明的玻璃组合物。相反，多晶材料通常不透射可见光。单个微晶可能是透明的，但它们的小平面(晶界)反射或散射光，导致漫反射。玻璃不包含与多晶中晶界相关的内部细分，因此它不会以与多晶材料相同的方式散射光。玻璃的表面通常是光滑的——在玻璃形成过程中，过冷液体的分子不会被迫以刚性晶体几何形状排列。分子可以遵循表面张力，从而形成微观光滑的表面。这些赋予玻璃透明性的特性，

根据几何光学原理，玻璃具有折射、反射和透射光的能力。一般玻璃的折射率是1.5。根据菲涅尔方程，一片玻璃的反射率(从空气-玻璃界面反射的光量)约为每个表面4%(在空气中垂直入射)。这意味着透过玻璃表面的光量(透射率)为96%。具有两个表面的玻璃元件的透射率约为92%。

玻璃在光传输光纤的光电子学中也有应用。

颜色

玻璃中的颜色可以通过添加均匀分布的带电离子或通过沉淀精细分散的颗粒(例如在光致变色玻璃中)来获得。普通钠钙玻璃在很薄时肉眼看起来是无色的，尽管高达0.1%重量的氧化铁(II)(FeO)杂质会产生绿色调。这可以在厚片中或在科学仪器的帮助下看到。可以少量添加二氧化锰以去除氧化铁(II)产生的绿色。FeO和Cr2O3添加物可用于生产绿色瓶子。硫与碳盐和铁盐一起用于形成多硫化铁，并产生从黄色到几乎黑色的琥珀色玻璃。玻璃熔体也可以从还原性燃烧气氛中获得琥珀色。

当用于艺术玻璃或工作室玻璃时，玻璃使用严格保密的配方进行着色，这些配方涉及金属氧化物、熔化温度和“烹饪”时间的特定组合。艺术品市场上使用的大多数彩色玻璃都是由供应商批量生产的，尽管有些玻璃制造商有能力用原材料制造自己的颜色。

石英

石英是地球大陆地壳中含量丰富的矿物。它由连续的SiO4硅氧四面体骨架构成。每个氧原子在两个四面体之间共享，给出了SiO2的总式。石英有许多不同的品种，其中一些是半宝石。

石英此图显示石英的晶体结构。硅原子是灰色的，氧原子是红色的。

物理特性

由于其丰富且热稳定性和化学稳定性高，石英被广泛用于许多大规模应用——磨料、铸造材料、陶瓷和水泥。石英晶体具有压电特性。压电是在施加机械应力时产生电势的能力。石英晶体的这种特性的早期用途是在留声机拾音器中，其中触控笔在凹槽中的机械运动通过在晶体内产生应力来产生成比例的电压。

今天，晶体振荡器是石英的常见压电用途：晶体的振动频率用于产生频率非常精确的电信号。许多现代电子设备(手表、时钟、收音机、计算机、手机)都采用这种方法来跟踪时间或为数字电路提供稳定的时钟信号。

颜色

纯石英，传统上称为水晶(有时称为透明石英)，无色透明或半透明。常见的有色品种包括黄水晶、蔷薇石英、紫水晶、烟晶和乳石英。

玫瑰石英晶体，出自米纳斯吉拉斯州。

隐晶质(在显微镜下几乎看不见的晶体)品种要么是半透明的，要么大部分是不透明的，而透明的品种往往是微晶(肉眼可见的大晶体)。玉髓是二氧化硅的隐晶形式，由石英及其单斜多晶型莫干石的精细共生体组成。其他不透明的石英宝石品种(或包括石英在内的混合岩石)通常包括对比色带或颜色图案。这些包括玛瑙、缟玛瑙、红玉髓和碧玉。