瀚海藍(lán)月
雪是白的,雪白雪白的,人們經(jīng)常用“像雪一樣白”來形容一個物體很白,連童話故事里最漂亮的公主,也叫“白雪公主”??墒牵覀兌贾?,冰是由液態(tài)水凝結(jié)而成的固態(tài),雪是水在空中凝結(jié)產(chǎn)生的。同是水的變形體,為什么水和冰是透明的,而雪是雪白的呢?
這個問題的答案也許并沒有我們想象中的那樣簡單,因為材料的光學(xué)性能有很多影響因素。當(dāng)一束光射入一個物體,會發(fā)生吸收、反射、散射等過程。
水和冰塊也并非完全透明
在可見光范圍內(nèi),水分子對于光線的吸收幾乎可以忽略不計,這就是為什么水和冰呈現(xiàn)透明的狀態(tài)。但是,如果我們的眼睛像蝙蝠一樣能看見紅外線,那么水和冰就并非是透明的了。實際上,即便水分子對可見光的吸收微乎其微,水分子間的氫鍵還是會更多地吸收紅色光譜方向的光線,從而使藍(lán)色光譜方向的光線更多顯現(xiàn),所以,海洋和一些巨大的冰塊才會呈現(xiàn)藍(lán)色。
宏觀的冰是一種多晶,X射線衍射表明冰是屬于六方晶系的晶體,不同取向的晶粒之間的晶界以及冰晶中的雜質(zhì)和氣泡形成的界面,都會或多或少地散射掉一部分入射光線,所以一般來說冰并非是完全透明的,普遍都是霧蒙蒙的。
顯微鏡下的雪花是透明的
雪花,是在空氣中由水蒸氣直接凝華形成的一種層片狀材料,如果我們把雪花放到顯微鏡下去看,它也是晶瑩剔透的冰晶狀態(tài),一點也不白。當(dāng)然,雪花會融化,所以必須在溫度很低的條件下才能觀察它們。這個世界上有很多雪花圖案收集者,他們在極度寒冷的情況下用相機記錄形態(tài)各異的漂亮雪花。
光線闖“迷宮”
但是,當(dāng)我們觀察一堆雪的時候,它們確實是白色的。這就和這些一片片的雪花有關(guān)系了。我們知道,日光是白光,它實際上由七種色光構(gòu)成。如果一個物體各種色光都反射,我們看到的就是白色。如果它只反射紅光,而吸收其他色光,我們看到它就是紅色的。如果我們把它搬進一個只有綠光的屋子里,由于它不反射綠光,我們就會看到它是黑色的,而不是紅色的。而每一片雪花就像一塊玻璃一樣,既是一個透光結(jié)構(gòu),同時也是一面反光鏡——既可以反射各種色光,也可以透過各種色光。
當(dāng)光線照射到雪堆上的時候,它就進入了一個龐大的光學(xué)“迷宮”: 每一片雪花都是由成百上千個隨機取向的微小冰晶構(gòu)成的,冰晶之間存在大量界面,透過雪花的光線會在雪花與空氣之間扭曲,而被反射的光線則會被打向另一片雪花,如此反復(fù),直到光線通過透射逃出這可怕的迷宮……而那些逃離出來的光線已經(jīng)變成了射向四面八方的散射光,其中一部分進了我們的眼睛。由于沒有色光被特別吸收,我們看到的就是柔和的白色光,也就覺得它是白色了。但如果在光線很強的雪山上,即使經(jīng)過積雪的散射,進入我們眼睛的白光仍然很強,我們就會覺得雪地像鏡子反光一樣刺眼。如果不做防護,眼睛就可能受傷,甚至?xí)簳r失明。
顏色巧妙變
并不是只有水和冰雪能夠利用“光線迷宮”,呈現(xiàn)出白色。其他透明的東西,比如玻璃被砸碎或者研成粉末,也都會出現(xiàn)“光線迷宮”,而變成白色的。比如大的食鹽結(jié)晶是透明的顆粒,可是我們家里的食鹽粉末卻是白色的。不過,要想讓它們變得透明,也容易。比如在食鹽或者玻璃粉末里少量添點水,它們中間的空隙填滿了水,空氣被擠出去,“光線迷宮”就被破除了,于是它們就又變得透明了。毛玻璃沾上水以后變得比較透明,也是這個道理。
其實,固體和粉末之間的這種變化,還可以在那些锃亮的金屬上找到。比如,你用砂紙在鋁鍋上打磨幾下,你能得到什么樣的粉末?是銀閃閃的嗎?事實恰好相反,你會得到黑乎乎的粉末……即使你用銀子本身研成粉,得到的還會是黑乎乎的粉末。
因為,它們組成了另外一種光學(xué)迷宮——這些金屬粉末實際上成了一面面微小的鏡子,能夠反射光線,但卻不能透過光。于是,光就在這堆粉末里來回反射,由于不能透射,就很少有機會能逃出去。在不斷反射中,光線也會被逐漸消耗。這樣,沒有多少光反射進你的眼睛,你的眼睛就只能告訴你:這些家伙是黑色噠!