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解释水是透明的现象

来源:探索未来科学 浏览 342 次 发布时间:2022-03-15

水是地球上最简单的化合物,没有水就没有生命。然而水并不是我们想象的那么简单,仅仅是H2O。如果水分子真的是以单个分子存在,水的熔点为-110℃,沸点为-65℃,地球上的水早就全部气化,地面上也就不可能还有水的存在。事实上,我们都知道,水的熔点为0℃,沸点为100℃。


为了解释水透明的这个现象,我们分几步来分析这个过程:一、物质透光率相关因素;二、液态水的结构;三、空气和水的界面;四、光在水的内部运动情况分析;五、水透光情况说明;六、水透光情况的补充。为了简化问题的分析,我们只考虑常温常(4℃~30℃)压下的纯水(没有任何杂质的理想状态)。

一、透光率的大小有如下几种因素决定:


1、选择性吸收:当物质能级差与光子能量匹配时,产生选择性吸收,此时物质本身就有颜色(如五水硫酸铜晶体,会吸收黄光),使透光率下降。


2、折射率:与物质的组成和结构有关。折射率越大,反射损失越大;双折射率差值越大,反射损失越大,透光率越小。


3、物质中气泡或晶粒间界:此类数量越多,就产生反复从晶体到空气,再从空气到晶体的反复折射,必定会造成反射损失,气泡越多,反射损失越大,透光率越小。当然,厚度越大,气泡就会越多,损失就越大。


4、物质中的杂质:产生散射损失,即光的方向改变,使透光率下降。

二、液态水的结构


科学家近些年通过研究发现,气态的水可以假设为单个水分子或者是二聚体水分子;处于液相与气相过渡状态的水分子可能会有简单的三元、四元、五元甚至六元环形分子存在;液相水分子团的结构要大于液相与气相过渡状态的水分子,会有六元、七元、八元甚至是更大的分子团存在。当分子簇大于7以后已经不大容易形成单个的环状分子簇了,即便可以勉强形成大环分子状态上也十分不稳定,很快便会通过变形转化成折叠形态或多环结构。与高分子不同的是由于水分子之间并没有形成共价键而是以氢键相连,因而这种分子链在液态时十分脆弱,应该处于动态下的不断断裂和组合过程中。

三、空气和水的界面


凡作用于液体表面,使液体表面积缩小的力,称为液体表面张力。它产生的原因是液体跟气体接触的表面存在一个薄层,叫做表面层,表面层里的分子比液体内部稀疏,分子间的距离比液体内部大一些,分子间的相互作用表现为引力。就象你要把弹簧拉开些,弹簧反而表现具有收缩的趋势。正是因为这种张力的存在,有些小昆虫才能无拘无束地在水面上行走自如。

四、光在水的内部运动情况


科学家现在已经测量出,单个水分子的体积为4X10^-10m^3,我们假设水分子在常温状态下以平均6~10个水分子形成的分子团状态存在,则这个分子团的体积为2.4~4X10^-9m^3,它的直径小于1.97X10^-9m。我们再来看一下可见光的波长为,380~760X10^-9m。从这两个数值对比中我们可以看出,可见光的波长远远大于水分子团的大小。所以可见光可以在水中轻松绕过。

五、水透光情况的说明


根据前面对水的分析我们可以得到水透光的原因:1)水中分子团的尺寸远小于可见光的波长,因此可见光可以从水分子周围绕射而过;2)水的表面虽然分子比较稀疏,但是对光的透射损失比较小,有实验证明这个数值为万分之几,几乎可以忽略;3)纯水中杂质和气泡很少,是水透光率更高的另外一个原因。


六、关于水透光的补充说明


水的可见光透光性质不仅跟水分子团的结构有关,也跟水的深度有关。当水的深度很深的时候,波长比较短的可见光穿透性比较弱,而波长比较长的光绕射能力强,穿透深度比较深。所以,我们通常可以看到大海呈现出蔚蓝色。