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解釋水是透明的現(xiàn)象
來(lái)源:探索未來(lái)科學(xué) 瀏覽 1574 次 發(fā)布時(shí)間:2022-03-15
水是地球上最簡(jiǎn)單的化合物,沒(méi)有水就沒(méi)有生命。然而水并不是我們想象的那么簡(jiǎn)單,僅僅是H2O。如果水分子真的是以單個(gè)分子存在,水的熔點(diǎn)為-110℃,沸點(diǎn)為-65℃,地球上的水早就全部氣化,地面上也就不可能還有水的存在。事實(shí)上,我們都知道,水的熔點(diǎn)為0℃,沸點(diǎn)為100℃。
為了解釋水透明的這個(gè)現(xiàn)象,我們分幾步來(lái)分析這個(gè)過(guò)程:一、物質(zhì)透光率相關(guān)因素;二、液態(tài)水的結(jié)構(gòu);三、空氣和水的界面;四、光在水的內(nèi)部運(yùn)動(dòng)情況分析;五、水透光情況說(shuō)明;六、水透光情況的補(bǔ)充。為了簡(jiǎn)化問(wèn)題的分析,我們只考慮常溫常(4℃~30℃)壓下的純水(沒(méi)有任何雜質(zhì)的理想狀態(tài))。
一、透光率的大小有如下幾種因素決定:
1、選擇性吸收:當(dāng)物質(zhì)能級(jí)差與光子能量匹配時(shí),產(chǎn)生選擇性吸收,此時(shí)物質(zhì)本身就有顏色(如五水硫酸銅晶體,會(huì)吸收黃光),使透光率下降。
2、折射率:與物質(zhì)的組成和結(jié)構(gòu)有關(guān)。折射率越大,反射損失越大;雙折射率差值越大,反射損失越大,透光率越小。
3、物質(zhì)中氣泡或晶粒間界:此類(lèi)數(shù)量越多,就產(chǎn)生反復(fù)從晶體到空氣,再?gòu)目諝獾骄w的反復(fù)折射,必定會(huì)造成反射損失,氣泡越多,反射損失越大,透光率越小。當(dāng)然,厚度越大,氣泡就會(huì)越多,損失就越大。
4、物質(zhì)中的雜質(zhì):產(chǎn)生散射損失,即光的方向改變,使透光率下降。
二、液態(tài)水的結(jié)構(gòu)
科學(xué)家近些年通過(guò)研究發(fā)現(xiàn),氣態(tài)的水可以假設(shè)為單個(gè)水分子或者是二聚體水分子;處于液相與氣相過(guò)渡狀態(tài)的水分子可能會(huì)有簡(jiǎn)單的三元、四元、五元甚至六元環(huán)形分子存在;液相水分子團(tuán)的結(jié)構(gòu)要大于液相與氣相過(guò)渡狀態(tài)的水分子,會(huì)有六元、七元、八元甚至是更大的分子團(tuán)存在。當(dāng)分子簇大于7以后已經(jīng)不大容易形成單個(gè)的環(huán)狀分子簇了,即便可以勉強(qiáng)形成大環(huán)分子狀態(tài)上也十分不穩(wěn)定,很快便會(huì)通過(guò)變形轉(zhuǎn)化成折疊形態(tài)或多環(huán)結(jié)構(gòu)。與高分子不同的是由于水分子之間并沒(méi)有形成共價(jià)鍵而是以氫鍵相連,因而這種分子鏈在液態(tài)時(shí)十分脆弱,應(yīng)該處于動(dòng)態(tài)下的不斷斷裂和組合過(guò)程中。
三、空氣和水的界面
凡作用于液體表面,使液體表面積縮小的力,稱(chēng)為液體表面張力。它產(chǎn)生的原因是液體跟氣體接觸的表面存在一個(gè)薄層,叫做表面層,表面層里的分子比液體內(nèi)部稀疏,分子間的距離比液體內(nèi)部大一些,分子間的相互作用表現(xiàn)為引力。就象你要把彈簧拉開(kāi)些,彈簧反而表現(xiàn)具有收縮的趨勢(shì)。正是因?yàn)檫@種張力的存在,有些小昆蟲(chóng)才能無(wú)拘無(wú)束地在水面上行走自如。
四、光在水的內(nèi)部運(yùn)動(dòng)情況
科學(xué)家現(xiàn)在已經(jīng)測(cè)量出,單個(gè)水分子的體積為4X10^-10m^3,我們假設(shè)水分子在常溫狀態(tài)下以平均6~10個(gè)水分子形成的分子團(tuán)狀態(tài)存在,則這個(gè)分子團(tuán)的體積為2.4~4X10^-9m^3,它的直徑小于1.97X10^-9m。我們?cè)賮?lái)看一下可見(jiàn)光的波長(zhǎng)為,380~760X10^-9m。從這兩個(gè)數(shù)值對(duì)比中我們可以看出,可見(jiàn)光的波長(zhǎng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于水分子團(tuán)的大小。所以可見(jiàn)光可以在水中輕松繞過(guò)。
五、水透光情況的說(shuō)明
根據(jù)前面對(duì)水的分析我們可以得到水透光的原因:1)水中分子團(tuán)的尺寸遠(yuǎn)小于可見(jiàn)光的波長(zhǎng),因此可見(jiàn)光可以從水分子周?chē)@射而過(guò);2)水的表面雖然分子比較稀疏,但是對(duì)光的透射損失比較小,有實(shí)驗(yàn)證明這個(gè)數(shù)值為萬(wàn)分之幾,幾乎可以忽略;3)純水中雜質(zhì)和氣泡很少,是水透光率更高的另外一個(gè)原因。
六、關(guān)于水透光的補(bǔ)充說(shuō)明
水的可見(jiàn)光透光性質(zhì)不僅跟水分子團(tuán)的結(jié)構(gòu)有關(guān),也跟水的深度有關(guān)。當(dāng)水的深度很深的時(shí)候,波長(zhǎng)比較短的可見(jiàn)光穿透性比較弱,而波長(zhǎng)比較長(zhǎng)的光繞射能力強(qiáng),穿透深度比較深。所以,我們通??梢钥吹酱蠛3尸F(xiàn)出蔚藍(lán)色。