都是透明的,為什麼人類可以看見水,看不見空氣呢?

  • 作者:由 匿名使用者 發表于 攝影
  • 2022-06-23

都是透明的,為什麼人類可以看見水,看不見空氣呢?

都是透明的,為什麼人類可以看見水,看不見空氣呢?

都是透明的,為什麼人類可以看見水,看不見空氣呢?

都是透明的,為什麼人類可以看見水,看不見空氣呢?董董情感說 2020-08-31

純淨的水是無色透明的,乾淨的空氣也是無色透明的,人眼看不見空氣,卻為何能夠看見水?同樣是無色透明的物質,為啥存在這樣的差異?

什麼是無色透明?

通常所說的透明是對可見光而言的。一些在可見光下不透明的物體,在波長更短、頻率更高的X光照射下就透明。比如木材在可見光下不透明,但在X光下便是透明的。不管是x光還是可見光,或者是紅外光、紫外光,它們本質上都是電磁波,唯一的區別就是頻率或者波長的不同。

都是透明的,為什麼人類可以看見水,看不見空氣呢?

根據物體的透光(可見光)特性,我們將物體分為透明物體和不透明物體,它們之間並沒有明顯的界限。通常,玻璃、水、空氣等認為是透明的,而鋼鐵、木材等認為是不透明的。一些物體,當足夠薄時,也能夠透光。比如一張薄薄的紙,在強光照射下就能透光,但我們卻很難看清紙張背後的物體的影像,這被稱之為半透明。廣義上來說,能夠透光的物體便是透明的。

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上圖為半透明的紙張

陽光由7種色光組成,透明物體的顏色由它所能透過的色光決定。我們用透光率來描述透明,透明物體的透光率都較高,幾乎不存在透光率100%的物體。此外,雖然同樣是透明物體,但不同物體由於其在組成成分、內部結構等方面的不同,對不同波長的光的透射率也不同。幾乎能夠讓所有色光都透過的物質,我們便認為它是無色透明的。

決定物體透明度的因素

透明度就是物體透過光線的能力。一般來說,物體越均勻、越純淨,對光的吸收越少,物體的透明度也就越高。

許多氣態或液態物質都是透明的,而固態物質中只有少數是透明的。從基礎層面來看,物體是由原子構成的,分子也是由原子構成的。物體透不透明自然就跟組成該物體的原子結構以及原子的排列結構有關,就是物體的內部微觀結構。

原子由原子核和核外電子構成,原子核則由中子和質子密實的結合在一起,佔整個原子質量的99%。電子的個頭相對於原子核來說雖然很小,但電子在原子核周圍呈機率分佈,形象的稱之為電子雲。不同種類的原子的結構是不同的。原子之間透過外層電子牽手,在電磁力的作用下構成宏觀物質。

都是透明的,為什麼人類可以看見水,看不見空氣呢?

上圖為原子結構示意圖

光是電磁波,具有波粒二象性,既是粒子又是波,因此不能以宏觀視角來看待光在物體中的傳播以及光與物質的相互作用。光具有不同的波長,一般來說,波長越短的光,其穿透能力也就越強。光照射到物體表面或者穿過物體時,便會與物體內部的原子發生電磁作用。光照射到物體表面,一部分光會被反射回去,另一部分光穿過物體表面進入物體內部。在這個過程中,部分光會被原子所吸收,也就是光在傳播的過程中會發生衰減。

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上圖為鐳射在水中的傳播

光在穿過能夠透光的介質時,除了在介質的表面會發生反射,還會在穿過介質時發生折射和散射。大氣就是由多種氣體混合而成的,陽光在穿過大氣層時便會發生折射。光在穿過大氣層時,與大氣分子碰撞,還會發生散射,天空顏色的形成便與此有關。

大部分氣體都能夠透光,這是因為原子之間的間隙較大,光能夠很順利的透過而不被吸收。而固體原子之間的間隙較小,並且固體的厚度也大於可見光的波長,所以決定它透明度的因素就更復雜了。正是因為限制條件太多,因此透明固體的種類才非常少。自由電子的數量、晶體結構、能帶結構等都是影響固體透明與否的因素,要綜合好幾個條件來決定。

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上圖為透明的寶石

光與原子的電磁作用基本上都發生在電子層面。當光穿過物體時,如果物體對光的吸收率較小則透明則便較高。

人是如何看見世界的?

人類能夠透過眼睛接收電磁波,可只能感知可見光波段,經由神經系統處理後形成視覺,腦子中便有了世界的模樣。雖然任何有溫度的物體都能發光(紅外光),可人眼只能接收可見光,波長大約在400~760奈米之間,超出這個範圍就感知不到了。

人眼是靠感知光線來感知世界的。物體要麼自身會發光,要麼可以反射別的光源發出的光。眼睛中的晶狀體相當於一個凸透鏡,能夠把視線之內的物體發出或反射過來的光匯聚到視網膜上,視網膜上的視神經細胞就負責感知畫面中的顏色、亮度、飽和度等資訊,最終在我們大腦中形成了世界的樣子。

都是透明的,為什麼人類可以看見水,看不見空氣呢?

事實上,人眼接收到的大部分都是反射過來的光。反射又分為鏡面反射和漫反射。之所以能看見這個世界,就是因為漫反射的存在。即使烏雲遮天蔽日,仍有部分陽光能夠透過烏雲照射到地面上。地面上的人接收到了物體反射過來的陽光,便看見了該物體的存在。

顏色的本質是光的頻率或者波長不同,物體能夠反射何種色光,我們便認為該物體是何種顏色的。由於自然界中的物體大多由多種物質組成,反射過來的光由多種色光混合構成光譜。那麼準確點來說,物體能反射什麼光譜,在人眼中便是什麼色彩。我們之所以能看見綠葉,就是因為綠葉只能反射綠光。

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對於顏色相同的物體,我們透過分辨顏色的飽和度和明亮程度來區分物體的不同區域或者輪廓。不管是透明物體還是不透明物體,它們在反光率和透光率方面都存在差異,也就是它們在反射光線或者透過光線時對光的吸收能力不同。

人是如何看見水的,又為何看不見空氣?

透過上面的介紹,相信大家對透明以及我們是如何看見這個世界的,有了更深刻的認識。那麼就讓我們回到主題,先來說一說光在水和空氣中的傳播。

水和空氣的透明度都很高,但光在它們內部的傳播卻存在差異。空氣密度小,比較稀薄,光很容易穿過。而穿過水的光子可能並不是原來那個光子,這是因為光在水中傳播時發生了耦合。核外電子會按不同能級分層排布,此時原子處於基態。光在水中傳播時,會不可避免地碰上電子,電子吸收了光子之後便會從低能級躍遷到高能級,原子進入激發態。不過這種狀態是不穩定的,當電子回落時,便會釋放出與之前吸收的一模一樣的光子。在我們看來,光穿過了水,水是透明的。

都是透明的,為什麼人類可以看見水,看不見空氣呢?

上圖為電子回落示意圖,會釋放出一個光子

不存在完全透明的物體。水看起來是透明的,這是因為光在水中的衰減率小。空氣也是同樣的道理,但光在空氣中的衰減率更小,從光在空氣中的傳播速度與光在真空中的傳播速度差不多就可以知曉。如果光在水中的傳播距離足夠遠,水就不是透明的了,比如深海看起來就不是透明的,水對光的吸收就是主要原因。

都是透明的,為什麼人類可以看見水,看不見空氣呢?

上圖為淺藍色的游泳池

水對不同波長的光的吸收率也不同,藍光及紫光更容易透過水。人眼對藍光更敏感,水越深越顯得藍,海洋是藍色的就是這個原因。光在空氣中傳播,影響更多的是散射。天空之所以是藍色的,不是因為海洋是藍色的,而是因為大氣對藍光等短波的散射能力更強。而在清晨或者傍晚時分,靠近地平線的天空則是橙紅色的,這也與大氣對光的散射有關。由此可見,無色透明是有條件的。

都是透明的,為什麼人類可以看見水,看不見空氣呢?

上圖為清晨或者傍晚時分的天空

對於自然界中無雜質並且深度較淺的水,我們可以根據水中的氣泡、水面的反光及水面的輪廓來判斷水的存在。水面就是水和空氣的分介面,其實水中的氣泡也是水和空氣的分介面,更準確點來講就是水和非水部分的分介面。即使其它物體的光穿過水發生折射,物體的影像發生扭曲,如果沒有對比,我們也很難確定是否存在水。

都是透明的,為什麼人類可以看見水,看不見空氣呢?

我們生活在空氣中,由於空氣並不反射光,憑視覺無法感知到空氣的存在。在炎熱的夏季,黑色瀝青路面在陽光的照射下吸收了大量的熱,加熱了路面上方的空氣,遠遠望去熱浪扭曲了後方的影像,但這並不能認為我們看見了空氣。雖然不能看見空氣,但是透過感知空氣的快速流動,也就是風,便能真真切切的感受到它的存在。

如果我們生活在水中,僅憑視覺也無法感知到水的存在,除非水中有氣泡,或者到水面之上,我們才能判斷水的存在。

綜上所述,我們之所以能夠看見水,並不是因為我們真的看見了水,而是看見了被水扭曲了的其它物體的影像。而我們生活在空氣中,無法對比差異,自然就看不見空氣。很多人會不經意間撞上透明的玻璃大門,就是這個原因。

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能看到水,是因為水對光線進行了反射或者折射,光線改變了方向,從而大腦判斷有水的存在,。看不見空氣,是因為空氣對光的折射或者反射非常小,我們感覺不到而已。

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這是物質的形態,固體可以看見液體可以看見,但是看不見氣體,這是因為氣體分子空隙比較大力,例如可以看到液體水,但是看不見氣態水。

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因為水和空氣的構成物質是不一樣的,並且水作為液體存在,具有被人眼看到的特質。其次,人眼可以看到的物質的大小是有限制的,空氣是看不到的。

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