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      彩色氧氣你見過嗎?

      對于氧氣,我想大家肯定會毫不猶豫地回答道:無色的!事實果真如此嗎?

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      極光,來自天堂的接引之光

      正常條件下,氧氣確實是無色氣體,但在阿拉斯加、加拿大或者冰島等地,我們能看見自然發(fā)光的氧氣——著名的北極光。北極光擁有讓人迷醉的綠色,愛斯基摩人認為這幽幽綠光是鬼神引領(lǐng)靈魂進入天堂的火炬。

      極光的色彩之謎曾讓物理學家陷入瘋狂——沒人知道究竟是什么物質(zhì)發(fā)出這種美麗的綠光。

      曾有兩種主流的觀點。一種認為,極光光譜明顯與氮氣電離后的發(fā)光光譜相同;另一種認為,極光的綠色來自氪。但這些最終都被證明是錯的。

      分光鏡(能將物體發(fā)出的復合光,按波長分離成單色光,形成分光光譜)的分析顯示,絕大多數(shù)極光的波長為557.7納米。但奇怪的是,人們將這一波長與各種氣體的發(fā)射光譜進行對比,結(jié)果發(fā)現(xiàn)沒有一個能對上。

      這結(jié)果一出,物理學界內(nèi)一片嘩然。這意味著所有的解釋都是不正確的。科學家們不得不無奈地承認,我們對極光的本質(zhì)根本一無所知!

      還有一些人認為極光是由未知元素產(chǎn)生的,比如因大陸漂移學說而聞名世界的德國科學家阿爾弗雷德·魏格納認為,極光源于一種新的“地冕”氣體。

      “未知元素產(chǎn)生綠光”這一觀點并不新鮮。1864年,英國天文學家威廉·哈金斯在觀察貓眼星云時,發(fā)現(xiàn)一組耀眼的翡翠綠光,波長為500.7納米。也是因為沒有一種已知元素能發(fā)出這一波長的光,所以當時的科學家普遍認為,讓星云散發(fā)出古怪綠光的是一種叫做“星云元素”的新元素。

      事實證明,地冕氣體和星云元素都不存在。極光的黃綠光和行星狀星云的翡翠綠光,其實都源自普通的氧,一點兒都不神秘。

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      “披紅著綠”的氧氣

      氧氣究竟是如何發(fā)出綠光的?

      氧氣是氧原子的主要存在方式。氧原子有8個電子,這些電子在原子核外的遠動軌跡并非無跡可尋,事實上它們沿著一些特定的軌道運行。不同軌道上的電子具有不同的能量,這些能量值即為能級。軌道離原子核越近,能級越低。

      在正常狀態(tài)下,氧原子處于最低能級,即電子在離核最近的軌道上運行(此時的狀態(tài)稱為基態(tài))。但當大氣頂層的氧原子與來自太陽的高能粒子碰撞時,內(nèi)層電子能從中獲取能量,躍遷至能級更高的軌道。這種狀態(tài)叫做激發(fā)態(tài),是極不穩(wěn)定的,電子很容易回到近核軌道上,并將獲得的能量釋放出來。

      處在激發(fā)態(tài)的原子或分子釋放能量的方式有很多種,主要可分為輻射躍遷和無輻射躍遷兩種類型。顧名思義,輻射躍遷就是指能量以光子的形式被釋放。反之,無輻射躍遷則不會發(fā)出光子,激發(fā)的分子或原子通過碰撞等形式,將獲得的能量傳遞給其他分子或原子。

      在10萬~15萬米的高空,空氣比較稀薄,被激發(fā)的電子在回到近核軌道之前,可以逗留在一個亞穩(wěn)定狀態(tài)(也叫第一激發(fā)態(tài)),并釋放出波長557.7納米的綠光。

      在15萬~25萬米高空,如果電子吸收的能量只夠它躍遷至第一激發(fā)態(tài),那么氧原子在回到近核軌道的時候會發(fā)出波長630納米的紅光。不過因為能發(fā)出紅光的物質(zhì)比較多,比如氮氣受激發(fā)也會發(fā)出暗紅光,所以氧氣的紅光不如綠光受關(guān)注。

      但在地表附近,空氣密度較大,各種粒子間的距離較小,所以激發(fā)的氧原子很快就會撞擊到其他分子或原子,以至于額外的能量來不及作為光波發(fā)射出去,就在碰撞中直接消耗掉了。這就是我們呼吸的氧氣雖然也被太陽的高能射線輻射,卻依舊無色的原因。

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      淡藍的液氧

      現(xiàn)在我們知道,物質(zhì)一般存在3種狀態(tài),即氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)。那么液氧和固態(tài)氧會是什么顏色呢?

      其實人們最開始并不知道氣體可以變成液體和固體。18世紀末,人們才發(fā)現(xiàn)通過降溫和加壓可以使氣體液化。不過到1845年時,英國科學家邁克爾·法拉第(沒錯,就是發(fā)現(xiàn)苯環(huán)結(jié)構(gòu)和電磁感應現(xiàn)象的那位高手)已經(jīng)能利用冰凍的混合物對加壓的氣體降溫,成功地把大多數(shù)氣體變成液體。

      看見“大多數(shù)”想必您已經(jīng)明了他其實對有些氣體無可奈何,氧氣便是其中之一。當時的人們把這樣的無法液化的刺兒頭稱作“永久性氣體”,因為他們誤以為這些氣體只存在氣體狀態(tài)。

      一直到1877年,第一滴液氧才被法國物理學家凱泰制造出來,打破了永久性氣體的說法。凱泰發(fā)現(xiàn)液氧和氧氣不同,是淺藍色的,可他卻不知道為什么會這樣。

      直到1965年,才由加拿大英屬哥倫比亞大學埃爾默教授對此做出詳細解釋。

      氣態(tài)氧無色,是因為氧分子在一般情況下并不會吸收可見光。它吸收的是波長1269納米和760納米左右的紅外線,以及波長小于400納米的紫外線。但氧氣被壓縮成液體之后,它會吸收可見光,最終呈現(xiàn)出淺藍色。

      不過有意思的是,吸收光譜中只有位于690納米附近的微弱吸收帶是由單個氧分子吸收的。其余的強吸收帶則是另一種原理——由于液氧中氧分子間的距離極小,單個光子可同時激發(fā)位于兩個氧氣分子中的電子。這兩個電子或躍遷至同一激發(fā)態(tài),或躍遷至兩個不同的激發(fā)態(tài),從而產(chǎn)生一系列的吸收帶。

      液氧的大部分吸收帶位于紅光、黃光和綠光區(qū),所以液氧看起來是藍色的。

      色彩繽紛的固體氧!

      那么固體氧是什么顏色呢?當液氧的溫度降低到-218.8℃時,會出現(xiàn)略帶藍色的立方晶體。可這并不是固態(tài)氧的唯一存在形式。

      事實上,固態(tài)氧一共有5種形態(tài),并且每種形態(tài)的顏色都不相同。這種略帶藍色的立方晶體被稱為γ相。

      如果溫度繼續(xù)降低至-229.3℃,固體氧變成β相:晶體變成菱面體結(jié)構(gòu);顏色逐漸由淡淡的藍色變成粉紅。

      溫度繼續(xù)降低至-249.3℃時,固體氧變成單斜晶體結(jié)構(gòu),其色淺藍,被稱為α相。如果溫度保持為室溫,而把壓強增至90億帕后,固體氧變成等軸晶體結(jié)構(gòu),色橙紅,被稱為δ相。

      若壓強超過100億帕,固體氧變成ε相,色深紅至黑色。ε相的固氧又被稱為紅氧,有成為新型助燃劑的潛力。不過它其實是O8,是由4個氧氣分子組成的菱形晶體。

      如果繼續(xù)加壓至960億帕,固體氧會變成帶金屬光澤的ζ相。此時的固體氧可以稱作金屬氧,因為它已變成導電體。

      至于固體氧為何顏色多變,仍然是一個謎。

      來源:大科技

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