Warum ist Glas durchsichtig? Die Physik einfach erklärt

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Kurzantwort: Glas ist durchsichtig, weil sichtbares Licht zu wenig Energie hat, um die Elektronen im Glas auf ein höheres Energieniveau zu heben. Die Photonen werden deshalb nicht verschluckt und laufen ungehindert hindurch. Dazu kommt der Aufbau: Glas ist amorph, hat keine Korngrenzen und keine inneren Grenzflächen, an denen Licht gestreut werden könnte. Ultraviolettes Licht hat dagegen genug Energie und bleibt im Fensterglas hängen.

Sand ist undurchsichtig. Schmilzt du ihn bei über 1.400 Grad und lässt ihn erstarren, wird er zu einer klaren Scheibe. Dieselben Atome, ein völlig anderes Verhalten gegenüber Licht. Die Erklärung dafür liefert die Festkörperphysik, und sie ist kürzer, als viele denken.

Zwei Dinge müssen zusammenkommen, damit ein Stoff durchsichtig ist: Er darf Licht nicht absorbieren, und er darf es nicht streuen. Glas erfüllt beides. Hier liest du, warum, mit den Zahlen dazu, und warum Milchglas, Metall und Sand trotzdem undurchsichtig sind.

Licht ist Energie in Portionen

Licht besteht aus Photonen. Jedes Photon trägt eine feste Energiemenge, die von der Wellenlänge abhängt: Je kürzer die Welle, desto mehr Energie. Sichtbares Licht reicht von etwa 380 Nanometern (violett) bis 780 Nanometern (rot). Umgerechnet trägt ein violettes Photon rund 3,3 Elektronenvolt, ein rotes rund 1,6 Elektronenvolt.

Ultraviolette Strahlung hat kürzere Wellen und damit mehr Energie pro Photon. Infrarot hat längere Wellen und weniger. Ob ein Stoff eine Lichtsorte durchlässt, hängt davon ab, ob seine Elektronen genau diese Energieportion annehmen können.

Die Bandlücke: Warum Glas das Licht nicht schluckt

In einem einzelnen Atom sitzen Elektronen auf festen Energiestufen. In einem Festkörper rücken die Atome so dicht zusammen, dass aus den Stufen breite Energiebänder werden. Zwischen dem voll besetzten Band und dem nächsten leeren Band liegt eine Lücke, die Bandlücke. Ein Photon wird nur absorbiert, wenn seine Energie reicht, um ein Elektron über diese Lücke zu heben.

Bei Glas ist die Lücke groß. Das Portal Welt der Physik, herausgegeben von der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, formuliert es so: Die Energie von sichtbarem Licht reicht nicht aus, um die Bandlücke zu überwinden. Die Elektronen des Siliziumdioxids sind so fest gebunden, dass ein Photon zwischen 1,6 und 3,3 Elektronenvolt sie nicht anregen kann. Es fliegt weiter, als wäre nichts.

Erst ultraviolette Strahlung bringt genug Energie mit. Deshalb blockiert Fensterglas laut Welt der Physik UV-B und UV-C fast vollständig. Hinter einer Scheibe bekommst du keinen Sonnenbrand, obwohl du die Sonne sehen kannst.

Der Aufbau: Warum Glas nichts streut

Absorption ist nur die halbe Antwort. Ein Stoff kann Licht auch durchlassen und trotzdem trüb wirken, wenn er es in alle Richtungen ablenkt. Das passiert an Grenzflächen: an Korngrenzen zwischen Kristallen, an Poren, an Rissen.

Glas hat solche Grenzflächen nicht. Es ist amorph, seine Siliziumdioxid-Bausteine sind unregelmäßig angeordnet wie in einer eingefrorenen Flüssigkeit, ohne Kristalle und ohne Korngrenzen. Die Wikipedia fasst zusammen: Gläser sind für Licht durchlässig, wenn die Strahlung nicht durch Kristallgrenzen abgelenkt oder durch freie Elektronen absorbiert wird. Genau darum ist Quarzsand weiß und Quarzglas klar. Der Sand besteht aus Millionen winziger Körner mit Grenzflächen, das Glas aus einem einzigen, lückenlosen Netzwerk.

Woraus Fensterglas besteht

Das übliche Kalk-Natron-Glas macht laut Wikipedia rund 90 Prozent der Weltproduktion aus. Floatglas für Fenster enthält etwa 72 Prozent Siliziumdioxid, 14 Prozent Natriumoxid, 9 Prozent Calciumoxid und 4,5 Prozent Magnesiumoxid. Das Natriumoxid aus Soda senkt die Schmelztemperatur, das Calciumoxid aus Kalk macht das Glas hart und chemisch beständig.

Reines Quarzglas schmilzt erst über 2.000 Grad. Mit den Zusätzen reichen rund 1.400 Grad. Der Sand darf dabei nur wenig Eisenoxid enthalten, unter 0,05 Prozent. Sonst bekommt das Glas einen Grünstich, den du an der Kante dicker Scheiben sehen kannst. Farbiges Glas entsteht umgekehrt gezielt durch Metalloxide: Kobalt färbt blau, Selen rot, Nickel violett.

Warum Metall, Milchglas und Sand undurchsichtig sind

Metalle haben freie Elektronen. Die schwingen mit dem elektrischen Feld des Lichts mit, werfen es an der Oberfläche zurück und wandeln den Rest in Wärme um. Deshalb glänzt Metall und lässt kein Licht durch, egal wie dünn die Folie ist.

Milchglas oder mattiertes Glas absorbiert kaum mehr als klares Glas. Seine raue Oberfläche streut aber einfallendes und reflektiertes Licht in alle Richtungen. Das Licht kommt an, nur die Bildinformation geht verloren. Beim Sand ist es dasselbe Prinzip im Inneren: unzählige Körner, unzählige Grenzflächen, das Licht wird hin und her geworfen und kommt als diffuses Weiß heraus.

Fließt Glas? Eine Legende

Oft heißt es, alte Kirchenfenster seien unten dicker, weil das Glas über Jahrhunderte nach unten geflossen sei. Die Wikipedia stellt klar: Das ist falsch. Bei Raumtemperatur bräuchte ein solches Fließen Jahrmillionen. Die Verdickung stammt vom damaligen Herstellungsverfahren, dem Zylinderblasen. Glas gilt physikalisch als eingefrorene unterkühlte Flüssigkeit, verhält sich bei Alltagstemperaturen aber wie ein Festkörper.

Häufige Fragen

Warum ist Glas durchsichtig, in einem Satz?

Weil sichtbares Licht die fest gebundenen Elektronen im Glas nicht anregen kann und der amorphe Aufbau keine Grenzflächen bietet, die es streuen könnten.

Lässt Glas UV-Licht durch?

Fensterglas blockiert UV-B und UV-C fast vollständig. Ein Teil der langwelligen UV-A-Strahlung kommt durch.

Warum ist Sand undurchsichtig, obwohl er aus demselben Stoff besteht?

Sand besteht aus vielen Körnern mit Grenzflächen. An jeder wird Licht abgelenkt. Glas ist ein lückenloses Netzwerk ohne solche Grenzen.

Warum wirkt dickes Glas an der Kante grün?

Wegen kleiner Mengen Eisenoxid aus dem Sand. Je länger der Lichtweg, desto sichtbarer die Färbung.

Ist Glas eine Flüssigkeit?

Physikalisch eine eingefrorene unterkühlte Flüssigkeit. Bei Raumtemperatur fließt sie praktisch nicht, die Geschichte von den dicken Kirchenfenstern ist falsch.

Warum ist Metall nicht durchsichtig?

Freie Elektronen im Metall schwingen mit dem Licht mit, reflektieren es und wandeln den Rest in Wärme um.

Quellen

Das passt dazu

Drei Artikel, die dieselbe Frage von einer anderen Seite angehen:

Geschrieben von Clara, Redaktion wissens-bote.de — sie erklärt hier Alltagsfragen mit belegten Antworten.