水的吸收能谱
从这个吸收能谱上我们看出:紫外光波段中大部分会被水吸收;从近红外波段到中红外波段,水的吸收率升高;而到了远红外波段水的吸收率又呈现逐步下降的趋势;对于可见光,水的吸收率是最低的。
如果我们将可见光的吸收能谱单独拿出来,就可以看到,水对紫色、蓝色和青色光的吸收率最低,这些频率的光能量子更加容易透过水,没有被水吸收的光谱相混合就是海水和泳池中的水呈现蓝色的主要原因,水越深,它就越显得蓝。而在杯子里的水你就无法分辨颜色的差别。
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水对可见光波段的吸收能谱
为什么有的光子会被吸收?
这与光子所携带的能量有关,同时也与水分子中电子的“带隙”宽度有关。水分子对光吸收的光谱称为“吸收带”,以紫外光为例,当相应频率的光能量子与电子发生耦合,耦合后的电子能量不足以激发它顺利跃迁到上一能级,更不能因回落释放新的光子。激发的失败会加速原子振动,使其产生热能。
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水分子结构示意图,球体表示电子云
我们用100nm波长的紫外线照射,可以很容易地加热水,红外光也可以加热水,这与我们将水放进微波炉里加热(微波也是光波)是一个原理,都是相应波长的光被水分子吸收并产生热能。
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小心水的暴沸现象
(友情提醒:使用微波炉加热水后,在取出水时需千万注意,因为水被微波均匀加热,它即使到了沸点也不会翻滚沸腾。而只要你稍微摇晃杯子或将勺子放进去就会发生“暴沸”,过热的水会立刻飞溅出来,有可能造成烫伤!)
从水的吸收能谱我们还可以看出,水对所有光都存在吸收作用,只是在可见光波段以及近紫外光波段吸收得比较少,相应频率的光能量子可以更容易将电子送到它上一级导带,并在回落时发射一个光子。随着这个过程反复进行,连420nm波长的紫色光也有可能会被吸收。
深海的海底暗淡无光,一方面是因为海水中含有许多杂质,同时也与水对光的全面吸收有关。
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海水越深,光线越弱
总结:
一、光是由无数不同波长和频率的光的能量子相互叠加的电子波,光在水中是否被吸收与光子的能量密切相关。
二、水分子的电子被光照射时,一部分电子会获得能量跃迁到更高的能级,当耦合的电子回到基带时会发出一个光子,这个光子与前一个耦合的光子所携带的信息几乎相同。
三、一部分频率的光能量子并不能激发电子跃迁到上一级导带,它们使水分子发生振动产生热能,同时被水吸收,水的吸收波谱与不同光子所携带的能量有关,也是水自身的特性决定的。
四、不被水吸收的光传输到我们的眼睛里,我们就认为水是透明的。水是否透明指的是水对可见光光谱的透明,本文也主要针对可见光进行分析。
五、为分析方便,本文中对于光在水中传输或吸收的分析全部针对纯净的水,不涉及水中可能存在的其它杂质的影响。
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过滤掉水面的反射光后,船就像是悬空了一般
六、随着传输距离的增加,所有的可见光都将被水吸收