胆小慎入!会发光的氧气

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众所周知,氧气是人类生存的必要物质,一直是以一种无色无味的形态存在于空气当中,如果质心教育的小编跟你说其实氧气是可以发光的,你会不会吓一跳呢?今天,小编就带大家以物理学的角度来了解一下我们身边的氧气

极光

极光,来自天堂的接引之光

在正常的条件下,氧气确实是无色气体,但在阿拉斯加、加拿大或者冰岛等地,我们能看见自然发光的氧气——著名的北极光。北极光拥有让人迷醉的绿色,爱斯基摩人认为这幽幽绿光是鬼神引领灵魂进入天堂的火炬。

极光的色彩之谜曾让物理学家陷入疯狂——没人知道究竟是什么物质发出这种美丽的绿光。

曾有两种主流的观点。一种认为,极光光谱明显与氮气电离后的发光光谱相同;另一种认为,极光的绿色来自氪。但这些最终都被证明是错的。

分光镜(能将物体发出的复合光,按波长分离成单色光,形成分光光谱)的分析显示,绝大多数极光的波长为557.7纳米。但奇怪的是,人们将这一波长与各种气体的发射光谱进行对比,结果发现没有一个能对上。

这结果一出,物理学界内一片哗然。这意味着所有的解释都是不正确的。科学家们不得不无奈地承认,我们对极光的本质根本一无所知!

还有一些人认为极光是由未知元素产生的,比如因大陆漂移学说而闻名世界的德国科学家阿尔弗雷德·魏格纳认为,极光源于一种新的“地冕”气体。

“未知元素产生绿光”这一观点并不新鲜。1864年,英国天文学家威廉·哈金斯在观察猫眼星云时,发现一组耀眼的翡翠绿光,波长为500.7纳米。也是因为没有一种已知元素能发出这一波长的光,所以当时的科学家普遍认为,让星云散发出古怪绿光的是一种叫做“星云元素”的新元素。

事实证明,地冕气体和星云元素都不存在。极光的黄绿光和行星状星云的翡翠绿光,其实都源自普通的氧,一点儿都不神秘。

氧气

“披红着绿”的氧气

氧气究竟是如何发出绿光的?

氧气是氧原子的主要存在方式。氧原子有8个电子,这些电子在原子核外的远动轨迹并非无迹可寻,事实上它们沿着一些特定的轨道运行。不同轨道上的电子具有不同的能量,这些能量值即为能级。轨道离原子核越近,能级越低。

在正常状态下,氧原子处于最低能级,即电子在离核最近的轨道上运行(此时的状态称为基态)。但当大气顶层的氧原子与来自太阳的高能粒子碰撞时,内层电子能从中获取能量,跃迁至能级更高的轨道。这种状态叫做激发态,是极不稳定的,电子很容易回到近核轨道上,并将获得的能量释放出来。

处在激发态的原子或分子释放能量的方式有很多种,主要可分为辐射跃迁和无辐射跃迁两种类型。顾名思义,辐射跃迁就是指能量以光子的形式被释放。反之,无辐射跃迁则不会发出光子,激发的分子或原子通过碰撞等形式,将获得的能量传递给其他分子或原子。

在10万~15万米的高空,空气比较稀薄,被激发的电子在回到近核轨道之前,可以逗留在一个亚稳定状态(也叫第一激发态),并释放出波长557.7纳米的绿光。

在15万~25万米高空,如果电子吸收的能量只够它跃迁至第一激发态,那么氧原子在回到近核轨道的时候会发出波长630纳米的红光。不过因为能发出红光的物质比较多,比如氮气受激发也会发出暗红光,所以氧气的红光不如绿光受关注。

但在地表附近,空气密度较大,各种粒子间的距离较小,所以激发的氧原子很快就会撞击到其他分子或原子,以至于额外的能量来不及作为光波发射出去,就在碰撞中直接消耗掉了。这就是我们呼吸的氧气虽然也被太阳的高能射线辐射,却依旧无色的原因。

液氧

淡蓝的液氧

现在我们知道,物质一般存在3种状态,即气态、液态和固态。那么液态氧和固态氧会是什么颜色呢?

其实人们最开始并不知道气体可以变成液体和固体。18世纪末,人们才发现通过降温和加压可以使气体液化。不过到1845年时,英国科学家迈克尔·法拉第(没错,就是发现苯环结构和电磁感应现象的那位高手)已经能利用冰冻的混合物对加压的气体降温,成功地把大多数气体变成液体。

看见“大多数”想必您已经明了他其实对有些气体无可奈何,氧气便是其中之一。当时的人们把这样的无法液化的刺儿头称作“永久性气体”,因为他们误以为这些气体只存在气体状态。

一直到1877年,第一滴液氧才被法国物理学家凯泰制造出来,打破了永久性气体的说法。凯泰发现液氧和氧气不同,是浅蓝色的,可他却不知道为什么会这样。

直到1965年,才由加拿大英属哥伦比亚大学埃尔默教授对此做出详细解释。
气态氧无色,是因为氧分子在一般情况下并不会吸收可见光。它吸收的是波长1269纳米和760纳米左右的红外线,以及波长小于400纳米的紫外线。但氧气被压缩成液体之后,它会吸收可见光,最终呈现出浅蓝色。

不过有意思的是,吸收光谱中只有位于690纳米附近的微弱吸收带是由单个氧分子吸收的。其余的强吸收带则是另一种原理——由于液氧中氧分子间的距离极小,单个光子可同时激发位于两个氧气分子中的电子。这两个电子或跃迁至同一激发态,或跃迁至两个不同的激发态,从而产生一系列的吸收带。

液氧的大部分吸收带位于红光、黄光和绿光区,所以液氧看起来是蓝色的。

色彩缤纷的固体氧!

那么固体氧是什么颜色呢?当液氧的温度降低到-218.8℃时,会出现略带蓝色的立方晶体。可这并不是固态氧的唯一存在形式。

事实上,固态氧一共有5种形态,并且每种形态的颜色都不相同。这种略带蓝色的立方晶体被称为γ相。

如果温度继续降低至-229.3℃,固体氧变成β相:晶体变成菱面体结构;颜色逐渐由淡淡的蓝色变成粉红。

温度继续降低至-249.3℃时,固体氧变成单斜晶体结构,其色浅蓝,被称为α相。如果温度保持为室温,而把压强增至90亿帕后,固体氧变成等轴晶体结构,色橙红,被称为δ相。

若压强超过100亿帕,固体氧变成ε相,色深红至黑色。ε相的固氧又被称为红氧,有成为新型助燃剂的潜力。不过它其实是O8,是由4个氧气分子组成的菱形晶体。

如果继续加压至960亿帕,固体氧会变成带金属光泽的ζ相。此时的固体氧可以称作金属氧,因为它已变成导电体。

至于固体氧为何颜色多变,仍然是一个谜。

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