五顏六色的氧氣

尤皓

氧是元素周期表上位列第八的元素，它讓我們得以生存，也用自己獨特的顏色點綴著世界。

氧氣是什么顏色的？

我想大家肯定會毫不猶豫地回答道：無色的！事實果真如此嗎？

極光，來自天堂的接引之光

正常條件下，氧氣確實是無色氣體，但在阿拉斯加、加拿大或者冰島等地，我們能看見自然發(fā)光的氧氣——著名的北極光。北極光擁有讓人迷醉的綠色，愛斯基摩人認(rèn)為這幽幽綠光是鬼神引領(lǐng)靈魂進(jìn)入天堂的火炬。

極光的色彩之謎曾讓物理學(xué)家陷入瘋狂——沒人知道究竟是什么物質(zhì)發(fā)出這種美麗的綠光。

曾有兩種主流的觀點。一種認(rèn)為，極光光譜明顯與氮氣電離后的發(fā)光光譜相同；另一種認(rèn)為，極光的綠色來自氪。但這些最終都被證明是錯的。

分光鏡（能將物體發(fā)出的復(fù)合光，按波長分離成單色光，形成分光光譜）的分析顯示，絕大多數(shù)極光的波長為557.7納米。但奇怪的是，人們將這一波長與各種氣體的發(fā)射光譜進(jìn)行對比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)沒有一個能對上。

這結(jié)果一出，物理學(xué)界內(nèi)一片嘩然。這意味著所有的解釋都是不正確的?？茖W(xué)家們不得不無奈地承認(rèn)，我們對極光的本質(zhì)根本一無所知！

還有一些人認(rèn)為極光是由未知元素產(chǎn)生的，比如因大陸漂移學(xué)說而聞名世界的德國科學(xué)家阿爾弗雷德·魏格納認(rèn)為，極光源于一種新的“地冕”氣體。

“未知元素產(chǎn)生綠光”這一觀點并不新鮮。1864年，英國天文學(xué)家威廉·哈金斯在觀察貓眼星云時，發(fā)現(xiàn)一組耀眼的翡翠綠光，波長為500.7納米。也是因為沒有一種已知元素能發(fā)出這一波長的光，所以當(dāng)時的科學(xué)家普遍認(rèn)為，讓星云散發(fā)出古怪綠光的是一種叫做“星云元素”的新元素。

事實證明，地冕氣體和星云元素都不存在。極光的黃綠光和行星狀星云的翡翠綠光，其實都源自普通的氧，一點兒都不神秘。

“披紅著綠”的氧氣

那么氧氣究竟是怎樣發(fā)出綠光的呢？

氧氣是氧原子的主要存在方式。氧原子有8個電子，這些電子在原子核外的遠(yuǎn)動軌跡并非無跡可尋，事實上它們沿著一些特定的軌道運(yùn)行。不同軌道上的電子具有不同的能量，這些能量值即為能級。軌道離原子核越近，能級越低。

在正常狀態(tài)下，氧原子處于最低能級，即電子在離核最近的軌道上運(yùn)行（此時的狀態(tài)稱為基態(tài)）。但當(dāng)大氣頂層的氧原子與來自太陽的高能粒子碰撞時，內(nèi)層電子能從中獲取能量，躍遷至能級更高的軌道。這種狀態(tài)叫做激發(fā)態(tài)，是極不穩(wěn)定的，電子很容易回到近核軌道上，并將獲得的能量釋放出來。

處在激發(fā)態(tài)的原子或分子釋放能量的方式有很多種，主要可分為輻射躍遷和無輻射躍遷兩種類型。顧名思義，輻射躍遷就是指能量以光子的形式被釋放。反之，無輻射躍遷則不會發(fā)出光子，激發(fā)的分子或原子通過碰撞等形式，將獲得的能量傳遞給其他分子或原子。

在10萬～15萬米的高空，空氣比較稀薄，被激發(fā)的電子在回到近核軌道之前，可以逗留在一個亞穩(wěn)定狀態(tài)（也叫第一激發(fā)態(tài)），并釋放出波長557.7納米的綠光。

在15萬～25萬米高空，如果電子吸收的能量只夠它躍遷至第一激發(fā)態(tài)，那么氧原子在回到近核軌道的時候會發(fā)出波長630納米的紅光。不過因為能發(fā)出紅光的物質(zhì)比較多，比如氮氣受激發(fā)也會發(fā)出暗紅光，所以氧氣的紅光不如綠光受關(guān)注。

但在地表附近，空氣密度較大，各種粒子間的距離較小，所以激發(fā)的氧原子很快就會撞擊到其他分子或原子，以至于額外的能量來不及作為光波發(fā)射出去，就在碰撞中直接消耗掉了。這就是我們呼吸的氧氣雖然也被太陽的高能射線輻射，卻依舊無色的原因。

淡藍(lán)的液氧

現(xiàn)在我們知道，物質(zhì)一般存在3種狀態(tài)，即氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)。那么液氧和固態(tài)氧會是什么顏色呢？

其實人們最開始并不知道氣體可以變成液體和固體。18世紀(jì)末，人們才發(fā)現(xiàn)通過降溫和加壓可以使氣體液化。不過到1845年時，英國科學(xué)家邁克爾·法拉第（沒錯，就是發(fā)現(xiàn)苯環(huán)結(jié)構(gòu)和電磁感應(yīng)現(xiàn)象的那位高手）已經(jīng)能利用冰凍的混合物對加壓的氣體降溫，成功地把大多數(shù)氣體變成液體。

看見“大多數(shù)”想必您已經(jīng)明了他其實對有些氣體無可奈何，氧氣便是其中之一。當(dāng)時的人們把這樣的無法液化的刺兒頭稱作“永久性氣體”，因為他們誤以為這些氣體只存在氣體狀態(tài)。

一直到1877年，第一滴液氧才被法國物理學(xué)家凱泰制造出來，打破了永久性氣體的說法。凱泰發(fā)現(xiàn)液氧和氧氣不同，是淺藍(lán)色的，可他卻不知道為什么會這樣。

直到1965年，才由加拿大英屬哥倫比亞大學(xué)埃爾默教授對此做出詳細(xì)解釋。

氣態(tài)氧無色，是因為氧分子在一般情況下并不會吸收可見光。它吸收的是波長1269納米和760納米左右的紅外線，以及波長小于400納米的紫外線。但氧氣被壓縮成液體之后，它會吸收可見光，最終呈現(xiàn)出淺藍(lán)色。

不過有意思的是，吸收光譜中只有位于690納米附近的微弱吸收帶是由單個氧分子吸收的。其余的強(qiáng)吸收帶則是另一種原理——由于液氧中氧分子間的距離極小，單個光子可同時激發(fā)位于兩個氧氣分子中的電子。這兩個電子或躍遷至同一激發(fā)態(tài)，或躍遷至兩個不同的激發(fā)態(tài)，從而產(chǎn)生一系列的吸收帶。

從右下圖中我們可以看出，液氧的大部分吸收帶位于紅光、黃光和綠光區(qū)，所以液氧看起來是藍(lán)色的。

色彩繽紛的固體氧

那么固體氧是什么顏色呢？當(dāng)液氧的溫度降低到-218.8℃時，會出現(xiàn)略帶藍(lán)色的立方晶體?？蛇@并不是固態(tài)氧的唯一存在形式。

事實上，固態(tài)氧一共有5種形態(tài)，并且每種形態(tài)的顏色都不相同。這種略帶藍(lán)色的立方晶體被稱為γ相。

如果溫度繼續(xù)降低至-229.3℃，固體氧變成β相：晶體變成菱面體結(jié)構(gòu)；顏色逐漸由淡淡的藍(lán)色變成粉紅。

溫度繼續(xù)降低至-249.3℃時，固體氧變成單斜晶體結(jié)構(gòu)，其色淺藍(lán)，被稱為α相。

如果溫度保持為室溫，而把壓強(qiáng)增至90億帕后，固體氧變成等軸晶體結(jié)構(gòu)，色橙紅，被稱為δ相。

若壓強(qiáng)超過100億帕，固體氧變成ε相，色深紅至黑色。ε相的固氧又被稱為紅氧，有成為新型助燃劑的潛力。不過它其實是O8，是由4個氧氣分子組成的菱形晶體。

如果繼續(xù)加壓至960億帕，固體氧會變成帶金屬光澤的ζ相。此時的固體氧可以稱作金屬氧，因為它已變成導(dǎo)電體。

至于固體氧為何顏色多變，仍然是一個謎。