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為什么水是透明的?

 大安匠人 2012-07-03

為什么水是透明的?

 

好了,目前大體這樣,有人留言我再改(突然有人和我說(shuō),其實(shí)混濁也沒(méi)有吸收阿,就不透明了…好吧,那是散射和折射,純凈的液體在沒(méi)發(fā)生相變時(shí)是勻質(zhì)、澄清的,光在里面可以直線傳播,嘛,我們先假設(shè)提問(wèn)的童鞋也是這么個(gè)意思 @冰島藍(lán)莓

首先,我們要定義一下什么叫做透明。透明我們大體可以理解為光能夠以直線的方式從某一介質(zhì)當(dāng)中穿過(guò),而損失相對(duì)又不太多。比如一瓶顏色很深的溶液也是透明的,但并不是對(duì)所有波長(zhǎng)。我想樓主問(wèn)題的意思是為什么水無(wú)色透明。其實(shí),沒(méi)有哪個(gè)液體能對(duì)所有波長(zhǎng)的電磁波完全透明 (可以參見(jiàn)下圖,水其實(shí)對(duì)不同波長(zhǎng)的電磁波都是略有吸收的,能量不同而已)。從下圖我們也可以看出,水對(duì)可見(jiàn)光也還有一點(diǎn)點(diǎn)吸收,只不過(guò)吸收系數(shù)非常小,以至于我們只有在深海中才能感覺(jué)到水是藍(lán)色的(泳池的藍(lán)來(lái)自于硫酸銅消毒劑)。

其次我們要知道液體吸收電磁輻射的原因。我們都知道電磁輻射由光子傳播,而根據(jù)量子力學(xué)原理,光子代表的是不可分的一整份能量。理想化而言分子只有兩個(gè)選擇,要么剛好可以吸收它,要么沒(méi)辦法吸收。如果這個(gè)光子所帶有的能量和分子的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)所需相吻合,就會(huì)被分子吸收轉(zhuǎn)化成內(nèi)能,一般這部分電磁輻射對(duì)應(yīng)于紅外光的波長(zhǎng)。而能量再高些的時(shí)候,一個(gè)光子的能量足夠改變圍繞原子核的電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),這種情況下光能就會(huì)產(chǎn)生化學(xué)效應(yīng)(發(fā)生物質(zhì)的轉(zhuǎn)化),轉(zhuǎn)化為化學(xué)能,比如植物光合作用。但是不論在哪種過(guò)程中,受量子力學(xué)限制分子都基本只吸收具有合適能量的光子,所以我們能看到分子有吸收光譜。(否則我們只能知道分子可以吸收的最低能量)


400 nm的藍(lán)紫光對(duì)應(yīng)能量約為300kJ/mol
參考下表可以發(fā)現(xiàn),可見(jiàn)光區(qū)的能量不夠打斷大部分常見(jiàn)的化學(xué)鍵,而對(duì)于振動(dòng)能級(jí)而言又不匹配 (太高了)。所以我們遇到大部分的液體都是沒(méi)有顏色的。水是恰好是其中很常見(jiàn)的一種,分子很小很簡(jiǎn)單,沒(méi)有什么特殊的地方能對(duì)可見(jiàn)光產(chǎn)生強(qiáng)的吸收,所以在可見(jiàn)光和近紅外透明。其實(shí)液氨、HF很多種有機(jī)物在這范圍的吸收特征大體差不多,都是接近完全透過(guò)。


另一方面,水對(duì)我們透明可能和生物起源有關(guān),因?yàn)樯镒铋_(kāi)始來(lái)自水中,那么如果要發(fā)展一個(gè)電磁波的感受器,必然是能透過(guò)水的。也許在最初期有各種各樣的變種,比如說(shuō)有幾個(gè)傻鳥(niǎo)它們?cè)谒兄荒芸吹缴钭贤獠ǘ?,結(jié)果捕食者來(lái)了,其他兄弟都跑了,就他們不知道留了下來(lái), 結(jié)果全死掉后這個(gè)基因就消失了。


增補(bǔ):
散射光和透射光的問(wèn)題。對(duì)于液體,我們把得到的光譜叫做消光光譜,有時(shí)候會(huì)和吸收光譜混淆,但實(shí)際上兩者是有差別的。全消光包含吸收和散射兩個(gè)部分,對(duì)于均勻的真溶液消光可以等同于吸收,但對(duì)膠體或者濁液體系要考慮散射部分。

附圖為盧奇格斯杯 (Lycurgus Cup) 它在白天和黑夜可以呈現(xiàn)兩種不同的顏色。原因就是分散在其中的銀納米粒子可以散射綠光,白天我們看到的主要是散射光,是綠色的,而晚上因?yàn)椴┪镳^采用背投光源所以我們能看到紅色。而葉綠素的雙色效應(yīng)實(shí)際上是熒光和磷光,與散射有相似的地方但不完全一致,以后有機(jī)會(huì)再介紹。

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