為什麼雪是白色的但冰又是透明的?它們有什麼關係

2020-12-17 酋知魚

在某問答平臺上,有一位家長問了這樣一個問題:替我四歲兒子問下,為啥雪是白色的?

這是一個有趣的問題,因為就算是從小愛科學的我,也是在25歲才真正明白了這個看似特別簡單的問題的答案,所以能提出這個問題一點也不丟人,相反這表明孩子往往還保留著大人已經失去的,寶貴的求知慾。

白即透明?

那首先讓我們分析一下問題的矛盾點吧,為什麼雪的顏色會讓人迷惑?因為水是透明的,冰是透明的,水蒸氣也是透明的。那為什麼偏偏雪就是白色的呢?

除非……你已經知道了真正的答案!沒錯,白即是透明,透明即是白,它們本質是一樣的。

相信你一定會覺得不可思議,這怎麼說?白就是白呀,透明就是透明呀,為什麼說它們的本質是一樣的呢?沒關係,只要一個小實驗就可以證明我的結論。

玻璃實驗

首先,讓我們拿一塊玻璃,毫無疑問它是透明的。然後我們將玻璃重重地摔在地上,它碎了。

我們看到上面都是裂縫,那麼請問裂縫是什麼顏色的?

可能有人會認為它是白色,也有人認為它是什麼顏色取決於周圍的環境。

沒關係,我們可以再浪一點,拿一把錘子過來,用力地砸向碎玻璃,就像手工搗年糕那樣,將每一塊玻璃打得更碎,現在我們得到了一堆玻璃渣。

請問這些玻璃渣是什麼顏色的?基本可以肯定它看起來已經是白色了。

現在我們再拿一個搗藥材的臼與杵來,把玻璃渣放進去搗搗搗,最後得到了一小撮玻璃粉,請問玻璃粉是什麼顏色的?

好的,現在我們已經領略了從透明到白色的全過程,那麼請你思考一下,究竟是什麼改變了玻璃呢?在上面的描述中其實也已經提到了,其實就是「裂縫」,給玻璃加上無數裂縫後,表明的玻璃就變成了白色的粉末。

白色的物質本來就不存在?

這樣也行?那其它白色的物質呢……它們又是怎麼來的?

很好,就讓我們重新認識一下初中化學最常見的白色粉末——碳酸鈣,也就是以前糊牆用的熟石灰。它在粉末狀時是白色的這沒有疑問,那在結晶態時是什麼樣的呢?

上面這塊可不是什麼水晶呀玻璃呀,這叫「方解石」,是的你沒有猜錯,它就是熟石灰結晶態下的樣子,它們的分子式一模一樣,都是CaCO3!

哈哈,如此廉價的熟石灰也是可以做到晶瑩剃透,是不是大吃?這樣的例子要多少有多少,繪畫中使用的白色顏料鈦白粉(TiO),它的結晶態是一種寶石——金紅石,它也是透明的,顏色是因為其中往往含有Fe(鐵)、Nb(鈮)、Ta(鉭)、Cr(鉻)、Sn(錫)等雜質

由這些例子我們可以明白,白色其實根本不是顏色,它只是透明物質的一種特殊反光狀態,世界上本來就不存在絕對白色的物體,我們看到的所有白色物體,在顯微鏡下就可以輕易發覺都是由透明微粒組成的。

從四面八方到四面八方的光路就是白

那透明與白之間的本質差距是什麼呢?就在於折射和反射,當透明物質變成非常小後,它們的表面積也會變得非常大。光線在這些小微粒間反覆地被折射與反射,打亂了光原來的路線,表現為「從四面八方來的光被送往了四面八方」,所以白色物質其實是會表現出環境的綜合色,環境光是什麼顏色白就是什麼顏色。

現在讓我們回到雪,我們知道顯微鏡下的雪是微小的、複雜的六邊形結晶,是無數細小的冰。而自然環境中,我們認為陽光是沒有顏色的,也就是白,所以雪反射了陽光的顏色,看起來就是白色嘍。

其實顏色是不包含黑與白的。在我們的視覺神經中,所有的顏色都被激活,就會相互抵消,變為無色,亮度高的就是白,亮度低的就是黑,中間的當然就是灰了。只是因為我們生活的環境是一個充滿陽光的世界,所以我們經常可以在冬季看到大片的,沒有顏色只有亮度的世界,也就存在了「白色」的概念。

顏色的本質呢,是打破陽光的平衡,吸收陽光中特定顏色波長的光,或不吸收特定波長的光,比如讓世界表現也綠色的葉綠素,它就是可以只收紅光與藍紫光,唯獨不吸收中間的綠光,所以表現為綠色。所以透明是「什麼也不吸收同時讓所有的光通過」,而白色是「什麼也不吸收同時向所有方向反射所有方向來的光」。什麼都不吸收就是它們共通的本質。

我是酋知魚,一條透明的科學作者,歡迎關注!

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