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冬天里说晒太阳(2)高能射线为什么会被拦 精选

已有 2952 次阅读 2017-12-22 08:32 |个人分类:科学与生活|系统分类:科普集锦|关键词:紫外线,分子轨道,电子跃迁,臭氧层,维生素D| 分子轨道, 电子跃迁, 臭氧层, 维生素D, 紫外线

冬天里说晒太阳(2)高能射线为什么会被拦

老华:嘿!老温!

老温:你好!老华!请你继续说晒太阳的事情吧。

你上一次说到太阳辐射中包括了几乎所有的电磁波成分,从能量的多少看,太阳辐射中间,可见光大概占一半,红外部分占大约43%,紫外部分约7%。但是,当太阳辐射穿过大气层到达地面时,在太阳光谱上能量分布在紫外光谱区小了许许多多,在可见光谱区减少至40%,而在红外光谱区增至60%。

我后来想了想,这些电磁波穿过了大气层就在成分上发生了这样的变化,一定是电磁波与空气的分子发生了作用,而这还是跟空气中这些分子的内在性质有关。

老华:老夫子很有些哲学家的眼光。事情正是如此。我们地球的周围有一层大气层,大气层的成分主要有氮气(N2,约占78%;氧气(O2)占不到21%;氩气不到1%;还有少量的二氧化碳、水蒸气以及其他气体。太阳辐射的电磁波穿过大气层,各部分的百分比发生的很大的变化,确实是电磁波与大气中分子产生相互作用的缘故。而电磁波与分子的相互作用,依靠传统的力学和电磁学理论来解释就不够了,需要涉及到一点量子力学的知识。

老温:量子力学的理论听说很深奥,我能够理解吗?

老华:没有问题,并不深奥,况且我们也只是涉及一点皮毛。

我们上一次了解了电磁波,根据量子理论,电磁波可以认为是由光子组成,光子的频率对应于光子的能量,频率高的(也就是波长短的),能量就高。这样,对于一个光子而言,伽玛射线的能量最大,X射线次之,紫外线再次,可见光再次,红外线再次,如此等等。

为了了解太阳辐射与大气分子的作用,我们还需要了解一下这些分子的结构。

老温:这个我还能够记得一些,氧气分子由两个氧原子组成,氮气分子由两个氮原子组成,水分子由一个氧原子和两个氢原子组成,二氧化碳由一个碳原子和两个氧原子组成……

老华:好了,我们先说这些。就先拿氧气作一个例子。氧气分子由两个氧原子组成,每个氧原子由氧原子核和8个电子组成,这样,一个氧分子就是两个核以及16个电子。在正常的情况下,两个氧原子核相距约0.121纳米,电子在两个核周围的分子轨道上运动(当然这个轨道只是借用了像太阳系中地球绕太阳运动的轨道这个词,实际上并没有轨道,而只是指电子所处的状态)。这些轨道有不同的能量。打个比方,从能量的高低看,这些轨道所具有的能量,就好像一个梯子一样,一级一级的,底下的能量低,上面的能量高,称为能级。每一级上最多只能占两个电子。显然,分子体系的最稳定也就是能量最低的状态,就是电子占据着能量最低的那些轨道。当然,不同的分子就有不同的“梯子”。拿氧分子来说,它的最稳定状态,就是16个电子从“梯子”的最下面一级占起,每一级都占两个电子,但是,有点特殊的是,它的第8级与第9级能量一样,于是就在第8级和第9级上各占一个电子。

老温:带负电荷的电子在带正电荷的原子核外面运动,不会发射出电磁波吗?

老华:这个问题问得好,这就是传统的经典力学与量子力学的不同之处。量子力学认为,原子、分子处在一定的能量状态之下,电子的运动不会发出电磁波。只有从一个状态变化到另一个状态时,才需要吸收或发射电磁波。

比如,上面所说的能量最低的氧分子,如果其中一个电子接受了某一个能量合适的光子,就能够“跳”到“梯子”的一个较高的还空着的一级上去(比如,“梯子”的第8级本来就有电子,而第10级是空的,那么第8级上面的一个电子可以吸收一个光子而跳到上面的第10级,但是要求这个光子的能量正好等于两级之间的能量差)。同样,如果“梯子”上较低的一级上还有一个“空位”,那么较高位置上的电子也可以“跳”下来占据这个空位,由于是从能量较高的位置上跳下来的,于是就会放出一个光子,这个光子的能量恰好就是两级梯子的能量差。电子在“梯子”上跳来跳去,称为在分子轨道间“跃迁”。

老温:“跃迁”,就是跳来或跳去,这个名词很有些文绉绉。

老华:电子在不同能量的轨道间跃迁,一定伴随着吸收或发射光子。但是,当电子跃迁到较高能级的轨道后,分子体系的状态就变得不稳定了。

老温:为什么?

老华:打个比方,地上有相邻的两个凹,一个深一个浅。玻璃球放在较深的凹里,不容易跑出来,它的势能低;放在较浅的凹里,它的势能高,就比较容易滚到较深的凹里。所以,势能较高的状态就相对不稳定。

老温:哦,是这么个道理。

老华:越是稳定的分子,要让它的电子激发跃迁所需要的能量就越大,也就是说,需要吸收频率较大的电磁波(还是打比方,地上的凹越深,要把凹里的玻璃球拿起来,就需要越多的能量)。

组成空气的主要分子如氮气、氧气、二氧化碳、水(蒸汽)等等,在通常情况下都是非常稳定的分子,所以,要让它们的电子产生激发跃迁都需要很高的能量,一般都在紫外波段(可见光与红外线都不行,它们的能量太低)。也就是说,“梯子”中占有电子的轨道与空轨道的间隔很大,电子要想跃迁上去不容易,除非有合适频率的紫外线照射。

另一方面,“梯子”的顶部那些轨道的间隔却越来越小,最后是密密麻麻,当然,如果电子能够跳到那里,就容易脱落原子核的束缚,成为自由电子,剩余的分子就成为了离子,这种小分子的离子也是不稳定的。当然,要想让电子一下子跃迁到很高的能级上去需要得到很高的能量。

跃迁还有一个重要的特点,那就是上面说过的,引起跃迁的光子的能量必须与“梯子”上这两级的能量差相等,太多太少都不行,能量太多或太少的光子,都不能被分子吸收。但是,考虑到“梯子”上端的级差很密,所以高能量的紫外线和能量更高的伽玛射线和X射线都容易被分子吸收,把电子跃迁到很高的能级上去。

老温:那我看出来了,太阳辐射中那些高能量的电磁波就容易被空气分子所截留,是不是?

老华:你说的对,正是如此。这样,高空中的一些氧分子就会吸收太阳辐射中那些能量较高的电磁波,即伽玛射线、X射线和紫外线。

如果能量足够高,那么氧分子就会分解成为两个氧原子。这样,在高空中就会出现一些氧原子。

如果氧原子再遇到一个氧分子,在合适的条件下,就会生成一个臭氧分子(由三个氧原子组成的分子O3)。而臭氧分子又会吸收另一种频率较低的紫外线,分解成一个氧原子和一个氧分子。

经过千万年这样的反复循环,其结果是:一方面,在离开地面20—25公里的高空,形成了一个臭氧浓度相对较高的区域,称为臭氧层;另一方面,臭氧层又会吸收和消耗了大量的紫外线。

就这样,经过了大气层与空气中的气体分子相互作用,特别是穿过臭氧层之后,那些很高能量的太阳辐射,基本上被挡住了,大概只有百分之一的主要是能量较低(即波长较长)的紫外线能够到达地面。

老温:哦,这样我就有点清楚了。紫外线被挡住了,就减少了对我们生命的危害。据说紫外线对生物有伤害作用,医院里和一些公共场所常常有紫外线灯,用来杀菌,开紫外线灯的时候,总是要求人们离开。我记得前几年有一个饭店里忘了关紫外线灯,使得在那里吃饭的人受了照射,报纸上报道过这件事情。

老华:你知道为什么紫外线会对生物有伤害作用吗?

老温:这倒不很清楚。

老华:我们的生物细胞都是由各种分子构成的,除了水以外,这些分子包括蛋白质、DNA、激素、脂质等等,都是有机分子。这些分子虽然比氧气、氮气分子复杂得多,但也还是分子,也是由各种原子核和电子构成,那些电子也在各自的分子轨道上运动。在一定频率的紫外线照射下,会引起蛋白质、DNA等分子的电子激发跃迁,使分子变得不稳定。在一定的条件下这些分子会发生重构或者分解。如果照射强度大或时间长,就有可能引起细胞的遗传变异甚至细胞的死亡。这就是紫外线杀菌或引起癌变(皮肤癌等)的根本原理。我们把塑料绳子放在室外,有光的照射,不多天以后,原来很结实的绳子就“粉”掉了,用手一捻就成了粉末,这也是紫外线把塑料分子中的“化学键”打断了的结果。

老温:照你这样说,我们应当避免紫外线的照射了。

老华:不能机械的理解。要达到杀菌的效果,紫外线的能量要比较大(波长短)、照射时间长。至于致癌的问题,对于波长比较长的紫外线的照射,我们人体有一定的修复的功能。受到照射之后,皮肤会产生黑色素,防止紫外线的深入。当然,我们也一定要防止过量的照射,需要长期在阳光下工作或生活的人们应当避免阳光对皮肤的直接照射,或者在必须暴露的皮肤上涂防晒霜。

另一方面,在紫外线的照射下,我们皮肤里的一种类固醇会转化成维生素D,这是非常重要的一种维生素。在维生素D的帮助下,我们的小肠才能够把食物中摄入的钙元素吸收进体内。缺乏维生素D,就一定会缺钙,吃再多也没有用。所以,我们每一个人都还是要经常晒晒太阳,特别的老人和小儿。小孩子在长身体长骨头,需要最多的钙质,所以更要晒晒太阳,不要因为冬天天气寒冷,只是在家里“捂着”,那样是要影响小儿的健康成长的。老人们钙的流失大,容易骨质疏松。所以,除了多喝奶补充钙质之外,也要多晒太阳。晒太阳,要尽可能把手、脸、头露在外边。带着手套、帽子,把围巾捂着脸,紫外线透不进去,晒的用处就不大了。

老温:看来,这是一个问题的两个方面。既要晒,又不能过头。古人所谓“过犹不及”,大概就是这个意思。

老华:哲学家说得极是。

老温:哎,我突然想起来,你刚才讲的紫外线被大气中分子阻挡的原理,说紫外线被分子吸收,引起分子中电子的激发跃迁。这里,好像有一个漏洞,那就是跃迁上去能量高的电子不也可以再跃迁回来而放出紫外线?

老华:老夫子厉害,这确实是一个问题,不过,我们今天讲得又太多了,该回家了,这个问题下次再讲吧。

老温:好,下次再说,再见。

老华: 再见!




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