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冰和水都是透明的,那為什麼雪看上去就是白色的?

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冰和水都是透明的,

那為什麼雪看上去就是白色的?


這個問題的答案也許並沒有想像中的那樣簡單,因為材料的光學性能有很多影響因素。


當一束光射入一個物體,會發生吸收,反射,散射等過程。


吸收

下圖是水分子的吸收光譜:

冰和水都是透明的,那為什麼雪看上去就是白色的?



怎麼就這麼巧,怎麼就這麼巧,在可見光範圍內,水分子對於光線的吸收幾乎可以忽略不計,這就是為什麼水和冰呈現透明的狀態。


但是,如果我們的眼睛像蝙蝠一樣能看見紅外線,那麼水和冰就並非是透明的了。

然而實際上,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吸收紅色光譜方向的光線,從而使藍色光譜方向的光線更多顯現,所以,海洋和一些巨大的冰塊才會呈現藍色。很多人錯誤地將海洋和冰川的藍色歸結為藍天的反射,其實兩者並沒有一毛錢關係。

冰和水都是透明的,那為什麼雪看上去就是白色的?



散射


材料中的散射主要來自於界面。宏觀的冰是一種多晶,X射線衍射表明冰是屬於六方晶系的晶體,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,所以一般來說冰並非是完全透明的,普遍都會是霧蒙蒙的

冰和水都是透明的,那為什麼雪看上去就是白色的?



同理,如果你用力敲擊一塊冰的表面而引入細小裂紋,這些大量的界面會嚴重散射掉光線。


雪花

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(下圖),每一片雪花都是由成百上千個隨機取向的微小冰晶構成的,冰晶之間存在大量界面,射入的光線被界面不停地無差別散射最終返回觀察者的眼睛,所以呈現潔白的顏色。

冰和水都是透明的,那為什麼雪看上去就是白色的?



最後插播一個彩蛋,其實要得到完全清澈的冰晶也不是完全沒可能的,當水的冷卻速率足夠慢,水中的氣泡和雜質就有足夠的時間擴散到表面溢出,同時低冷卻速率也有助於形成尺寸較大的晶粒從而減少晶界數量,這樣我們就能看到和水一樣清澈透明的冰啦~

冰和水都是透明的,那為什麼雪看上去就是白色的?



via:Vincent Fu (知乎)


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