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空气为什么对可见光透明——冬天里说晒太阳(3) 精选

已有 3695 次阅读 2017-12-25 08:43 |个人分类:科学与生活|系统分类:科普集锦|关键词:透明,可见光,电子激发,,分子振动,,散射

空气为什么对可见光透明——冬天里说晒太阳(3

老温:你好!老华!

老华:你好!我们继续一边晒太阳一边说晒太阳?

老温:当然!上次你解释了太阳辐射中的高能射线即伽玛射线、X射线和大多数紫外线被空气挡住了。我想,我们能不能认为空气对于这些射线是不透明的?

老华:不好这样说。应当说,空气对于这些射线的透明程度还是不低的,在我们日常生活的尺度范围,也就是若干米的尺度里,这些射线穿透空气是没有问题的。我们说这些射线被大气层阻挡,那是说多少公里厚的大气,那才把它们挡住了。

老温:哦,由此看来,太阳辐射中的可见光包括月亮反射的光线以及很远很远的星星发出的光,都能够通过这样厚的大气层,可知空气对于可见光的透明度是非常好的。

老华:确实如此。

老温:能解释一下原因吗?

老华:原因很简单,空气中的分子与可见光相遇,并不吸收它们。有些人用空气中分子之间距离大等理由来解释,但是,应当说,这些解释并不准确,它们没有考虑到大气中分子的量子性质。它们把分子当作没有结构的微粒,还是经典力学的模型。而分子是由原子核和核外电子组成的体系,电子在各自的分子轨道上运行。根据我们在上一次(见《冬天里说晒太阳(2)高能射线为什么会被拦》)中所说的分子的电子能谱,你还记得那个“梯子”的模型吧?

老温:记得一点,电子在它们的两个轨道之间跃迁,需要得到或放出与轨道能级之差相等的能量,也就是需要吸收或发射具有一定波长的电磁波。

老华:你记得很准确。我们还知道,空气中这些稳定分子如氧气、氮气、二氧化碳、水以及氦气、氩气等分子通常都处在电子状态的能量最低的状态,也就是电子基态。要把他们的电子基态激发到电子激发态,需要较高的能量。对于这些分子,这个能量都在紫外线的波段范围内。而可见光的波长太长,换句话说,就是其光子的能量太小,远远不足使这些分子作电子激发。

老温:那么是不是就可以认为可见光与这些大气中的主要分子没有相互作用?

老华:我们还需要看看这些可见光与分子的其他运动跃迁能不能匹配。

老温:其他运动形式?这是什么意思?

老华:在分子中,除了电子运动以外之外,原子核也在运动,例如,对氧原子的电子基态(也就是能量最低的状态),它的两个核之间的平衡距离是0.121纳米。但是,核也在运动,但是,当核之间距离增加时,体系的能量会增加,变得不稳定。当核间距减少时,体系能量也增加。所以两个核之间好像有个弹簧一样,拉长了,弹簧会把它们拉回来,压短了弹簧又会把它们弹回去。它们之间的距离会保持在0.121纳米左右。两个氧原子核就这样在0.121纳米附近振动。

量子力学认为,原子核的这种振动运动的能量也是“量子化”的。也就是说,也跟电子运动一样。它们的能量处在一个“梯子”上,有一个一个能级,只有接受或放出了一个确定的能量的同时,体系才能够在这些能级之间“跃迁”。但是,分子的振动跃迁所需要的能量比电子跃迁小许许多多。这个能量一般在红外线波段上。也就是说,对于大气中的分子,只有红外线可以引起分子的振动跃迁。可见光的能量又太大了,与振动跃迁不匹配。

这样,对于可见光来说,既与大气中主要分子的电子跃迁无关,也与它们的振动跃迁无关。因此,洁净干燥的大气对于可见光基本上是透明的。

老温:怪不得远方的星星发出的光都能够射到地面上来。

老华:你说起星星的光,我想来了一件事情。如果可见光与空气分子真的一点没有作用,事情也要有麻烦的。那就是我们抬头看天,太阳那里平行地射来光线,星星那里也平行地射来光,而在天空中其他地方将是漆黑的,在漆黑的天空中挂着耀眼的太阳、明亮的月亮以及一颗颗亮亮的的星星。

老温:那不就是没有蓝天了?我们看到的“好天”是蓝色的。

老华:那是因为光与空气分子之间还有“散射作用”。空气中的分子并不是均匀的、静止的,它们也还在高速的振动,当可见光遇到这些分子,就会发生散射。还是打个比方吧,我们用弹弓对着一根铁丝发射很小的弹丸,由于铁丝很细,我们容易将弹丸在铁丝边上穿过,如果铁丝在不断地振动,那么弹丸将可能被铁丝弹开,而弹开的方向则四面八方都有可能。这就是“散射”。

这样,当电磁波遇到分子时,也有可能发生“散射”,散射的方向也不一定,四面八方都有,但是,由于分子很小(像空气中的这些分子,都比1纳米还要小得多,而可见光的波长约在400-700纳米,比这些分子的直径大几百倍),这些可见光肯定大多数还是径直前进,但是有少数会向四面八方散射。波长越短,被散射的可能性越大。

老温:这个问题你要解释一下,为什么波长越短,被散射的可能性越大?

老华:你还记得,前次你曾经问,为什么微波、无线电波称波,而可见光、X光称光的事情吗?波长较长,就更像波,遇到阻碍能绕过去。波长较短,就更像粒子,直线前进。这里的情况也是如此,当电磁波遇到分子时,波长较长的波容易绕过去,而波长较短的波则更像粒子,容易被散射。这样,波长较长的红色光散射很少,而蓝紫色光则被散射的多(当然大多数还是径直前进了)。这样,我们看到的太阳射来的光是各种颜色都有的,呈现白色,而天空中其他地方射来的光,则是被空气分子散射出来的光,这些散射光最后显出蓝色。

老温:哦,正是大气中分子对阳光的散射作用,才使得天空呈现蓝色。

老华:当然,起这种散射作用的不光是分子,也有可能是小的分子团,例如,水是极性很强的分子,若干水分子可能相互吸引集合起来,当分子数不大(例如只有几个、几十个、几百个)时,仍然比可见光的波长小得多,分子团的直径可能还不到蓝色光波长的百分之几。这时候,仍然是散射蓝紫色光为主。

但是,当水分子的数量达到宏观物质的水平时,情况就起了变化。实际上,在不很高的空中,会有一些微尘。比如,我们现在常常所说的PM2.5,就是“很大的”微尘。

老温:PM2.5还大?

老华:PM2.5就是直径在2.5微米,而可见光中波长较长的红色光波长才700纳米也就是0.7微米。所以,如果空中有少量这样的微尘,并以这些微尘为核,边上凝结着许多水,形成冰晶,那么可见光遇到这些“大”的颗粒,就绕不过去了,红橙黄绿青蓝紫统统可能被散射(当然也有不少要被吸收),散射出来的是白光。这样,我们看见的是空中的白云。

老温:又是蓝天、又是白云,蛮有诗意。

老华:上面说到,PM2.5、PM10之类的微尘都是“宏观物质”了,他们可以吸收大量各种颜色的光线,所以,如果空气中这些微尘一多,那么连散射带吸收,空中就是灰蒙蒙的一片了。我们现在的空气中污染物很多,所以经常说灰蒙蒙的,唉,真是讨厌呢。

不说了,不说了!说透明、说蓝天白云心情好,说到这些污染,心情就糟糕了。打住,今天说得够多了,回家!

老温:你还欠着问题呢!下次还得讲。

老华:好的,下次再说。再见!

老温:再见!




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