Warum ist Glas durchsichtig, Sand aber nicht? Die Physik des klaren Glases

Glas beginnt als Sand, Soda und Kalkstein in einem Schmelzofen. Sand ist körnig und undurchsichtig; ein Fenster dagegen so klar, dass Vögel manchmal dagegenfliegen. Wie kann derselbe Stoff beides sein? Die Antwort steckt in zwei Ideen: was Licht braucht, um absorbiert zu werden, und was Licht streut.

Woraus Glas besteht

Das meiste Alltagsglas, etwa in Fenstern und Flaschen, ist Kalk-Natron-Glas. Es besteht zu etwa 70 bis 74 % aus Siliciumdioxid (Quarz, dem Hauptbestandteil von Sand), dazu Soda (Natriumoxid), das die Schmelztemperatur senkt, und Kalk (Calciumoxid) für mehr Beständigkeit.

Wird diese Mischung geschmolzen und rasch abgekühlt, haben die Atome keine Zeit, sich zu einem geordneten Kristall zu ordnen. Sie erstarren in einem ungeordneten Netzwerk. Einen solchen Stoff nennt man amorphen Festkörper.

Grund eins: Sichtbares Licht ist zu schwach, um absorbiert zu werden

Licht reist als Energiepakete, die Photonen. Ein Stoff absorbiert Licht, wenn ein Photon genau die richtige Energie hat, um eines seiner Elektronen auf ein höheres Energieniveau zu heben.

In Metallen können Elektronen fast jede Energiemenge aufnehmen; Metalle schlucken und reflektieren sichtbares Licht und sind daher undurchsichtig und glänzend. In Quarzglas sind die Elektronen fest in chemischen Bindungen gehalten. Um sie anzuregen, bräuchte ein Photon etwa 9 Elektronenvolt. Photonen sichtbaren Lichts tragen nur 1,6 bis 3,3 Elektronenvolt.

Sichtbare Photonen können also nicht absorbiert werden, sie gehen einfach hindurch. Im Glas wird das Licht allerdings etwas langsamer – deshalb bricht Glas das Licht, und Linsen funktionieren.

Grund zwei: keine Grenzflächen, die Licht streuen

Wenn Quarz durchsichtig ist, warum dann nicht Sand? Sand besteht aus unzähligen winzigen Körnern, viele davon kristalliner Quarz. Jedes Mal, wenn Licht aus der Luft in ein Korn eintritt und wieder austritt, wird es gebrochen und teilweise reflektiert. Nach Tausenden solcher Begegnungen in zufälligen Richtungen ist das Licht überallhin gestreut. Darum wirken Sand, Zucker, Salz, Schnee und Glasbruch weiß oder hell, obwohl jedes Korn klar ist.

Ein massives Glasstück hat keine Körner und keine inneren Grenzflächen. Licht tritt an einer Seite ein und an der anderen aus, mit sehr wenig Streuung dazwischen.

Milchglas nutzt diesen Effekt gezielt: Eine aufgeraute Oberfläche erzeugt viele winzige Facetten, die Licht streuen – das Glas lässt Licht durch, verbirgt aber, was dahinter liegt.

Glas ist nicht für jedes Licht klar

Für sichtbares Licht ist Glas durchsichtig, aber nicht für alles.

• Ultraviolett: Gewöhnliches Fensterglas schluckt das meiste UVB, die Hauptursache für Sonnenbrand, lässt aber einen großen Teil des langwelligeren UVA durch. Hinter einer Autoscheibe bekommt man kaum einen Sonnenbrand, UVA kann aber dennoch zur Hautalterung beitragen.
• Infrarot: Glas lässt kurzwelliges Infrarot der Sonne herein, schluckt aber einen Großteil des langwelligen Infrarots, also der Wärmestrahlung warmer Gegenstände im Raum. Das ist ein Teil davon, wie ein Gewächshaus Wärme speichert.

Der leichte Grünstich beim Blick durch die Kante einer Scheibe stammt von Spuren von Eisenoxid, die etwas rotes Licht absorbieren. Sehr reines Glas, wie in Glasfasern, ist so durchsichtig, dass Licht kilometerweit hindurchlaufen kann.

Der Mythos der fließenden Fenster

Eine beliebte Geschichte besagt, Glas sei eigentlich eine sehr zähe Flüssigkeit – deshalb seien alte Kathedralenfenster unten dicker. Das stimmt nicht.

1998 berechnete der brasilianische Materialwissenschaftler Edgar Zanotto, wie lange mittelalterliches Glas bei Raumtemperatur bräuchte, um merklich zu fließen. Das Ergebnis lag weit über dem Alter des Universums. Die ungleiche Dicke alter Fenster kommt von der Herstellung: Verfahren wie das Schleudern geschmolzenen Glases zu einer Scheibe (Mondglas) ergaben stellenweise dickere Scheiben, und Glaser setzten die schwere Kante oft nach unten.

Kurz gesagt

• Glas besteht vor allem aus Siliciumdioxid, dessen Atome in einem ungeordneten Netzwerk erstarrt sind.
• Es ist durchsichtig, weil sichtbares Licht zu wenig Energie hat (1,6–3,3 eV), um die Elektronen anzuregen (rund 9 eV nötig).
• Massives Glas hat keine Korngrenzen, die Licht streuen – anders als Sand oder Glasbruch.
• Fensterglas blockiert das meiste UVB, lässt aber viel UVA durch.
• Alte Fenster sind unten dicker wegen ihrer Herstellung, nicht weil Glas fließt.