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          解釋水是透明的現象

          來源:探索未來科學 瀏覽 136 次 發布時間:2022-03-15

          水是地球上最簡單的化合物,沒有水就沒有生命。然而水并不是我們想象的那么簡單,僅僅是H2O。如果水分子真的是以單個分子存在,水的熔點為-110℃,沸點為-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。事實上,我們都知道,水的熔點為0℃,沸點為100℃。


          為了解釋水透明的這個現象,我們分幾步來分析這個過程:一、物質透光率相關因素;二、液態水的結構;三、空氣和水的界面;四、光在水的內部運動情況分析;五、水透光情況說明;六、水透光情況的補充。為了簡化問題的分析,我們只考慮常溫常(4℃~30℃)壓下的純水(沒有任何雜質的理想狀態)。

          一、透光率的大小有如下幾種因素決定:


          1、選擇性吸收:當物質能級差與光子能量匹配時,產生選擇性吸收,此時物質本身就有顏色(如五水硫酸銅晶體,會吸收黃光),使透光率下降。


          2、折射率:與物質的組成和結構有關。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、物質中氣泡或晶粒間界:此類數量越多,就產生反復從晶體到空氣,再從空氣到晶體的反復折射,必定會造成反射損失,氣泡越多,反射損失越大,透光率越小。當然,厚度越大,氣泡就會越多,損失就越大。


          4、物質中的雜質:產生散射損失,即光的方向改變,使透光率下降。

          二、液態水的結構


          科學家近些年通過研究發現,氣態的水可以假設為單個水分子或者是二聚體水分子;處于液相與氣相過渡狀態的水分子可能會有簡單的三元、四元、五元甚至六元環形分子存在;液相水分子團的結構要大于液相與氣相過渡狀態的水分子,會有六元、七元、八元甚至是更大的分子團存在。當分子簇大于7以后已經不大容易形成單個的環狀分子簇了,即便可以勉強形成大環分子狀態上也十分不穩定,很快便會通過變形轉化成折疊形態或多環結構。與高分子不同的是由于水分子之間并沒有形成共價鍵而是以氫鍵相連,因而這種分子鏈在液態時十分脆弱,應該處于動態下的不斷斷裂和組合過程中。

          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,稱為液體表面張力。它產生的原因是液體跟氣體接觸的表面存在一個薄層,叫做表面層,表面層里的分子比液體內部稀疏,分子間的距離比液體內部大一些,分子間的相互作用表現為引力。就象你要把彈簧拉開些,彈簧反而表現具有收縮的趨勢。正是因為這種張力的存在,有些小昆蟲才能無拘無束地在水面上行走自如。

          四、光在水的內部運動情況


          科學家現在已經測量出,單個水分子的體積為4X10^-10m^3,我們假設水分子在常溫狀態下以平均6~10個水分子形成的分子團狀態存在,則這個分子團的體積為2.4~4X10^-9m^3,它的直徑小于1.97X10^-9m。我們再來看一下可見光的波長為,380~760X10^-9m。從這兩個數值對比中我們可以看出,可見光的波長遠遠大于水分子團的大小。所以可見光可以在水中輕松繞過。

          五、水透光情況的說明


          根據前面對水的分析我們可以得到水透光的原因:1)水中分子團的尺寸遠小于可見光的波長,因此可見光可以從水分子周圍繞射而過;2)水的表面雖然分子比較稀疏,但是對光的透射損失比較小,有實驗證明這個數值為萬分之幾,幾乎可以忽略;3)純水中雜質和氣泡很少,是水透光率更高的另外一個原因。


          六、關于水透光的補充說明


          水的可見光透光性質不僅跟水分子團的結構有關,也跟水的深度有關。當水的深度很深的時候,波長比較短的可見光穿透性比較弱,而波長比較長的光繞射能力強,穿透深度比較深。所以,我們通??梢钥吹酱蠛3尸F出蔚藍色。

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