Warum ist Glas transparent?

Glas ist heute aus unserem Alltag kaum wegzudenken: Ob als Fensterscheibe, Trinkgefäß, Flasche oder Spiegel – überall begegnen wir dem harten, glatten und lichtdurchlässigen Material. Aber warum ist das Glas transparent, obwohl seine Ausgangsmaterialien, Quarzsand mit Beimischungen von Soda und Kalk, eher undurchsichtig-weißlich erscheinen?

„Glas ist aus zwei Gründen transparent: Zum einen gibt es im Glas keine Korn- oder Materialgrenzen, die Licht streuen würden, Glas ist extrem homogen“, sagt Lothar Wondraczek, Professor am Institut für Glas und Keramik der Universität Erlangen. Zum anderen kann das sichtbare Licht mit den Elektronen des Glases nicht gut wechselwirken. Die Teilchen des Lichts passieren daher das Glas nahezu unverändert.

„Eingefrorene Flüssigkeit“

Glas unterscheidet sich von anderen Feststoffen durch seine Struktur: Wissenschaftler sprechen dabei von einer „eingefrorenen unterkühlten Flüssigkeit“. Anstatt wie bei einem Kristall in einem regelmäßigen Gitter, sind die Atome und Moleküle im Glas unregelmäßig angeordnet. Zwischen ihnen existieren deshalb immer wieder auch Lücken.

Doch die Annahme, dass diese Lücken in der Molekülstruktur einfach das Licht hindurch lassen und das Glas deshalb durchsichtig ist, stimmt nicht, wie Philip Moriarty, Nanoforscher an der Universität von Nottingham erklärt. „Das Wichtige ist, wie die Atome in einem Festkörper angeordnet sind. Und ihre Anordnung wiederum diktiert – und das ist das Entscheidende – wie die Elektronen verteilt sind.“

Keine Wechselwirkung mit Elektronen

Normalerweise bewegen sich die negativ geladenen Elektronen im so genannten Grundzustand um den Atomkern. Sie sind damit in einem Zustand minimaler Energie. Moriarty vergleicht dies mit einem Ball, der ruhig am Boden eines Raumes liegt. Trifft nun Licht auf dieses Material, treten die Photonen des Lichts und die Elektronen des Materials in Wechselwirkung. Das Licht überträgt seine Energie auf die Elektronen und hebt sie dadurch in eine höhere, energiereichere Bahn – statt auf dem Boden liegt unser Ball nun auf dem Tisch. Das Lichtteilchen wird dabei jedoch absorbiert. Geschieht dies, ist ein Material daher undurchsichtig.

Beim Glas aber ist dies anders: „In den meisten Gläsern sind die Bindungsstärken so hoch, dass zu ihrer Überwindung nur hochenergetische Strahlung ausreicht, also zum Beispiel UV-Strahlung oder Röntgenstrahlung“, erklärt Wondraczek. Die Moleküle des Siliziumdioxids im Glas halten ihre Elektronen so stark fest, dass die Energie des sichtbaren Lichtes diese nicht anregen kann. Das Photon wird daher nicht absorbiert und passiert das Glas nahezu unverändert – das Glas erscheint uns transparent.

„Enthält das Glas – als Verunreinigung oder gewünscht – bestimmte Zusätze mit schwach gebundenen Elektronen, so kann durch diese Licht absorbiert werden. Dadurch entstehen dann verschiedene Glasfarben“, sagt Wondraczek. Meist werden Metalloxide als färbende Zusätze genutzt, die dann Flaschen; Kirchenfenster oder Glasvasen in leuchtendem Blau, Gelb oder Grün erscheinen lassen.