五顏六色的氧氣

知識 11-21

氧氣是什麼顏色的？

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？

五顏六色的氧氣

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，愛斯基摩人認為這幽幽綠光是鬼神引領靈魂進入天堂的火炬。

極光的色彩之謎曾讓物理學家陷入瘋狂——沒人知道究竟是什麼物質發出這種美麗的綠光。

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

分光鏡（能將物體發出的複合光，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射光譜進行對比，結果發現沒有一個能對上。

這結果一出，物理學界內一片嘩然。這意味著所有的解釋都是不正確的。科學家們不得不無奈地承認，我們對極光的本質根本一無所知！

還有一些人認為極光是由未知元素產生的，比如因大陸漂移學說而聞名世界的德國科學家阿爾弗雷德·魏格納認為，極光源於一種新的「地冕」氣體。

「未知元素產生綠光」這一觀點並不新鮮。1864年，英國天文學家威廉·哈金斯在觀察貓眼星雲時，發現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出這一波長的光，所以當時的科學家普遍認為，讓星雲散發出古怪綠光的是一種叫做「星雲元素」的新元素。

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

五顏六色的氧氣

「披紅著綠」的氧氣

那麼氧氣究竟是怎樣發出綠光的呢？

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動軌跡並非無跡可尋，事實上它們沿著一些特定的軌道運行。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。

在正常狀態下，氧原子處於最低能級，即電子在離核最近的軌道上運行（此時的狀態稱為基態）。但當大氣頂層的氧原子與來自太陽的高能粒子碰撞時，內層電子能從中獲取能量，躍遷至能級更高的軌道。這種狀態叫做激發態，是極不穩定的，電子很容易回到近核軌道上，並將獲得的能量釋放出來。

處在激發態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出光子，激發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，被激發的電子在回到近核軌道之前，可以逗留在一個亞穩定狀態（也叫第一激發態），並釋放出波長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態，那麼氧原子在回到近核軌道的時候會發出波長630納米的紅光。不過因為能發出紅光的物質比較多，比如氮氣受激發也會發出暗紅光，所以氧氣的紅光不如綠光受關注。

但在地表附近，空氣密度較大，各種粒子間的距離較小，所以激發的氧原子很快就會撞擊到其他分子或原子，以至於額外的能量來不及作為光波發射出去，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。

五顏六色的氧氣

淡藍的液氧

現在我們知道，物質一般存在3種狀態，即氣態、液態和固態。那麼液氧和固態氧會是什麼顏色呢？

其實人們最開始並不知道氣體可以變成液體和固體。18世紀末，人們才發現通過降溫和加壓可以使氣體液化。不過到1845年時，英國科學家邁克爾·法拉第（沒錯，就是發現苯環結構和電磁感應現象的那位高手）已經能利用冰凍的混合物對加壓的氣體降溫，成功地把大多數氣體變成液體。

看見「大多數」想必您已經明了他其實對有些氣體無可奈何，氧氣便是其中之一。當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。

一直到1877年，第一滴液氧才被法國物理學家凱泰製造出來，打破了永久性氣體的說法。凱泰發現液氧和氧氣不同，是淺藍色的，可他卻不知道為什麼會這樣。

直到1965年，才由加拿大英屬哥倫比亞大學埃爾默教授對此做出詳細解釋。

氣態氧無色，是因為氧分子在一般情況下並不會吸收可見光。它吸收的是波長1269納米和760納米左右的紅外線，以及波長小於400納米的紫外線。但氧氣被壓縮成液體之後，它會吸收可見光，最終呈現出淺藍色。

不過有意思的是，吸收光譜中只有位於690納米附近的微弱吸收帶是由單個氧分子吸收的。其餘的強吸收帶則是另一種原理——由於液氧中氧分子間的距離極小，單個光子可同時激發位於兩個氧氣分子中的電子。這兩個電子或躍遷至同一激發態，或躍遷至兩個不同的激發態，從而產生一系列的吸收帶。

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

色彩繽紛的固體氧

那麼固體氧是什麼顏色呢？當液氧的溫度降低到－218.8℃時，會出現略帶藍色的立方晶體。可這並不是固態氧的唯一存在形式。

事實上，固態氧一共有5種形態，並且每種形態的顏色都不相同。這種略帶藍色的立方晶體被稱為γ相。

如果溫度繼續降低至-229.3℃，固體氧變成β相：晶體變成菱面體結構；顏色逐漸由淡淡的藍色變成粉紅。

溫度繼續降低至-249.3℃時，固體氧變成單斜晶體結構，其色淺藍，被稱為α相。

如果溫度保持為室溫，而把壓強增至90億帕後，固體氧變成等軸晶體結構，色橙紅，被稱為δ相。

若壓強超過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，因為它已變成導電體。

至於固體氧為何顏色多變，仍然是一個謎。

五顏六色的氧氣

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