物質(zhì)世界精彩紛呈，我們睜開(kāi)雙眼就能看到各式各樣的物質(zhì)。

在公園里，我們可以遠(yuǎn)望藍(lán)天白云，也可以欣賞湖面波光，又或是端詳野草怪石，偶遇幾個(gè)親戚朋友。所有這一切都是由物質(zhì)構(gòu)成的，這一點(diǎn)我們?cè)缇椭獣?，但我們是怎么辨識(shí)出不同物質(zhì)的呢？

最重要的辨別方式，自然就是看 —— 不同的物質(zhì)可以發(fā)射或反射出不用的光，我們的雙眼正是通過(guò)對(duì)這些光進(jìn)行反應(yīng)，才最終識(shí)別出它們是什么，或者遠(yuǎn)遠(yuǎn)就認(rèn)出熟悉的人。

這種作用方式的基礎(chǔ)，就是物質(zhì)和能量的相互關(guān)系，而我們今天能夠借助的各項(xiàng)儀器，絕大多數(shù)也是利用了類似的原理。

這其中，最常用的一種方法被稱為“光譜分析”，此前我們說(shuō)到從太陽(yáng)中看到氦元素，其中利用的方法就是通過(guò)對(duì)其輻射的特征譜線進(jìn)行分析鑒定得出的。

光譜，顧名思義就是依光的波長(zhǎng)大小排列的譜圖，它是記錄某種物質(zhì)發(fā)射或吸收光波的一種圖案，根據(jù)光譜去識(shí)別物質(zhì)，就跟看著樂(lè)譜唱出歌曲一樣、光譜的形式非常多樣，因?yàn)槲镔|(zhì)發(fā)生能量變化的方式實(shí)在太多了，電子躍遷只是最常見(jiàn)的一種，我們雙眼通常也是根據(jù)這一點(diǎn)發(fā)揮作用。

比如，當(dāng)我們?nèi)ベp花的時(shí)候，五顏六色的花朵屹立在綠葉環(huán)抱的枝頭，而我們的眼睛可以真切地看到每一朵花，這就是一種可見(jiàn)光形成的光譜。在這個(gè)過(guò)程中，觀測(cè)設(shè)備是我們的雙眼，而識(shí)別設(shè)備則是大腦中的處理系統(tǒng)。

在這些花和它們的葉子中，含有很多不同的色素分子。這些分子是由原子構(gòu)成的，每一個(gè)原子中的電子，在吸收光波后，就會(huì)發(fā)生躍遷。正如前面已經(jīng)提及的，電子的躍遷必須要遵循一定的能級(jí)，是量子化的。所以，當(dāng)太陽(yáng)光照射過(guò)來(lái)的時(shí)候，那些能量沒(méi)能滿足電子剛好在能級(jí)之間發(fā)生躍遷的光子，就不會(huì)被吸收，通常會(huì)直接反來(lái)。這樣一來(lái)，我們所看到的顏色，就是色素分子在吸收過(guò)所需光波后剩下的那些顏色。

眼睛本身也是一個(gè)能量與物質(zhì)相互作用的場(chǎng)所。就人眼而言，大多數(shù)擁有的視覺(jué)系統(tǒng)中都有三種被稱為“受體”的感光結(jié)構(gòu)，它們分別帶有一些物質(zhì)可以和不同顏色的光發(fā)生作用，然后再把信號(hào)傳遞給大腦，大腦由此識(shí)別出紅、綠、藍(lán)三種顏色。實(shí)際上，人類現(xiàn)在絕大多數(shù)電子設(shè)備也都是這樣設(shè)計(jì)的，比如電腦屏幕，也可以發(fā)出紅綠藍(lán)三種顏色，它們可以按照不同比例，調(diào)和成包括白色在內(nèi)的各種可見(jiàn)光。

如果人類只能看到兩種顏色，那么我們可以識(shí)別的物質(zhì)將會(huì)大為減少 —— 事實(shí)上也的確有很多人天生色盲，缺少某種感光成分，對(duì)生活產(chǎn)生了諸多不利。

相反，如果感光的成分更多，就會(huì)更容易觀察到物質(zhì)的變化。鳥(niǎo)類和一些爬行動(dòng)物的眼睛中都有著四種或更多的受體，它們看到的世界也比我們?nèi)祟惛S富多彩。不過(guò)，在掌握了能量與物質(zhì)相互作用的規(guī)律后，人類用檢測(cè)儀器彌補(bǔ)了這些不足。

很多物質(zhì)的電子躍遷并不在可見(jiàn)光區(qū)，也就是說(shuō)，它們吸收的光是我們所看不到的，于是這些物質(zhì)在我們看來(lái)，要么就是平平無(wú)奇的白色、灰色或黑色，要么干脆就是透明的。

玻璃就是一個(gè)很好的例子，我們偶爾會(huì)莫名其妙地撞到玻璃上，就是因?yàn)樗瓷先タ諢o(wú)一物。然而，這并不代表玻璃的內(nèi)部就不存在電子躍遷，只是因?yàn)樗鼈兾盏墓獠ǚ浅６?，是比可?jiàn)光頻率更高的紫外光，對(duì)可見(jiàn)光卻沒(méi)有興趣，所以我們看到的就是像水一樣晶瑩清澈的玻璃。如果我們?nèi)搜勰軌蚩吹阶贤夤?，那我們看到的玻璃或許就和青銅器差不多了。

對(duì)于這些肉眼根本無(wú)法分辨的物質(zhì)，紫外光譜儀器就可以輕松地看出它們的差別，它就是我們眼睛的延伸。

除了紫外光譜以外，還有紅外光譜、拉曼光譜、熒光光譜之類的各種光譜儀，都可以幫助我們看清物質(zhì)。它們?nèi)际抢昧穗娮釉谀芰孔饔孟掳l(fā)生躍遷的原理。即便只是在可見(jiàn)光區(qū)，有很多物質(zhì)也需要儀器的幫助才能看明白它們的真身 —— 這也正是我們從太陽(yáng)光譜中找到氦元素的辦法。

再說(shuō)一下光。從本質(zhì)上講，我們所說(shuō)的光指的是可見(jiàn)光，從紫光到紅光區(qū)域。廣義上，光不僅是可見(jiàn)光，還包含紅外線和紫外線等。雖然紅外線、紫外線以及在它們波長(zhǎng)之外的電磁波均不能引起人眼視覺(jué)，但紫外和紅外波段的電磁波可有效地轉(zhuǎn)換為可見(jiàn)光，利用光學(xué)儀器或攝影與攝像的方法可以量度或探測(cè)發(fā)射這種光線物體的存在，因此，在光學(xué)研究領(lǐng)域，光的概念通常延伸到鄰近可見(jiàn)光區(qū)域的電磁輻射，甚至 X 射線等也被認(rèn)為是光。

但是，能量對(duì)于物質(zhì)世界的影響還遠(yuǎn)不止于此，我們的生活，無(wú)時(shí)無(wú)刻不在感受著能量的變化。

文源:《給青少年講物質(zhì)科學(xué)》

作者:孫亞飛

版權(quán)歸原作者所有

編輯:張潤(rùn)昕

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