五颜六色的氧气

氧是元素周期表上位列第八的元素，它让我们得以生存，也用自己独特的颜色点缀着世界。

氧气是什么颜色的？
我想大家肯定会毫不犹豫地回答道：无色的！事实果真如此吗？

极光，来自天堂的接引之光

正常条件下，氧气确实是无色气体，但在阿拉斯加、加拿大或者冰岛等地，我们能看见自然发光的氧气——著名的北极光。北极光拥有让人迷醉的绿色，爱斯基摩人认为这幽幽绿光是鬼神引领灵魂进入天堂的火炬。
极光的色彩之谜曾让物理学家陷入疯狂——没人知道究竟是什么物质发出这种美丽的绿光。
曾有两种主流的观点。一种认为，极光光谱明显与氮气电离后的发光光谱相同；另一种认为，极光的绿色来自氪。但这些最终都被证明是错的。
分光镜（能将物体发出的复合光，按波长分离成单色光，形成分光光谱）的分析显示，绝大多数极光的波长为557.7纳米。但奇怪的是，人们将这一波长与各种气体的发射光谱进行对比，结果发现没有一个能对上。
这结果一出，物理学界内一片哗然。这意味着所有的解释都是不正确的。科学家们不得不无奈地承认，我们对极光的本质根本一无所知！
还有一些人认为极光是由未知元素产生的，比如因大陆漂移学说而闻名世界的德国科学家阿尔弗雷德·魏格纳认为，极光源于一种新的“地冕”气体。
“未知元素产生绿光”这一观点并不新鲜。1864年，英国天文学家威廉·哈金斯在观察猫眼星云时，发现一组耀眼的翡翠绿光，波长为500.7纳米。也是因为没有一种已知元素能发出这一波长的光，所以当时的科学家普遍认为，让星云散发出古怪绿光的是一种叫做“星云元素”的新元素。
事实证明，地冕气体和星云元素都不存在。极光的黄绿光和行星状星云的翡翠绿光，其实都源自普通的氧，一点儿都不神秘。

“披红着绿”的氧气

那么氧气究竟是怎样发出绿光的呢？
氧气是氧原子的主要存在方式。氧原子有8个电子，这些电子在原子核外的远动轨迹并非无迹可寻，事实上它们沿着一些特定的轨道运行。不同轨道上的电子具有不同的能量，这些能量值即为能级。轨道离原子核越近，能级越低。
在正常状态下，氧原子处于最低能级，即电子在离核最近的轨道上运行（此时的状态称为基态）。但当大气顶层的氧原子与来自太阳的高能粒子碰撞时，内层电子能从中获取能量，跃迁至能级更高的轨道。这种状态叫做激发态，是极不稳定的，电子很容易回到近核轨道上，并将获得的能量释放出来。
处在激发态的原子或分子释放能量的方式有很多种，主要可分为辐射跃迁和无辐射跃迁两种类型。顾名思义，辐射跃迁就是指能量以光子的形式被释放。反之，无辐射跃迁则不会发出光子，激发的分子或原子通过碰撞等形式，将获得的能量传递给其他分子或原子。
在10万~15万米的高空，空气比较稀薄，被激发的电子在回到近核轨道之前，可以逗留在一个亚稳定状态（也叫第一激发态），并释放出波长557.7纳米的绿光。
在15万~25万米高空，如果电子吸收的能量只够它跃迁至第一激发态，那么氧原子在回到近核轨道的时候会发出波长630纳米的红光。不过因为能发出红光的物质比较多，比如氮气受激发也会发出暗红光，所以氧气的红光不如绿光受关注。
但在地表附近，空气密度较大，各种粒子间的距离较小，所以激发的氧原子很快就会撞击到其他分子或原子，以至于额外的能量来不及作为光波发射出去，就在碰撞中直接消耗掉了。这就是我们呼吸的氧气虽然也被太阳的高能射线辐射，却依旧无色的原因。

淡蓝的液氧

现在我们知道，物质一般存在3种状态，即气态、液态和固态。那么液氧和固态氧会是什么颜色呢？
其实人们最开始并不知道气体可以变成液体和固体。18世纪末，人们才发现通过降温和加压可以使气体液化。不过到1845年时，英国科学家迈克尔·法拉第（没错，就是发现苯环结构和电磁感应现象的那位高手）已经能利用冰冻的混合物对加压的气体降温，成功地把大多数气体变成液体。
看见“大多数”想必您已经明了他其实对有些气体无可奈何，氧气便是其中之一。当时的人们把这样的无法液化的刺儿头称作“永久性气体”，因为他们误以为这些气体只存在气体状态。
一直到1877年，第一滴液氧才被法国物理学家凯泰制造出来，打破了永久性气体的说法。凯泰发现液氧和氧气不同，是浅蓝色的，可他却不知道为什么会这样。
直到1965年，才由加拿大英属哥伦比亚大学埃尔默教授对此做出详细解释。
气态氧无色，是因为氧分子在一般情况下并不会吸收可见光。它吸收的是波长1269纳米和760纳米左右的红外线，以及波长小于400纳米的紫外线。但氧气被压缩成液体之后，它会吸收可见光，最终呈现出浅蓝色。
不过有意思的是，吸收光谱中只有位于690纳米附近的微弱吸收带是由单个氧分子吸收的。其余的强吸收带则是另一种原理——由于液氧中氧分子间的距离极小，单个光子可同时激发位于两个氧气分子中的电子。这两个电子或跃迁至同一激发态，或跃迁至两个不同的激发态，从而产生一系列的吸收带。
从右下图中我们可以看出，液氧的大部分吸收带位于红光、黄光和绿光区，所以液氧看起来是蓝色的。

色彩缤纷的固体氧

那么固体氧是什么颜色呢？当液氧的温度降低到－218.8℃时，会出现略带蓝色的立方晶体。可这并不是固态氧的唯一存在形式。
事实上，固态氧一共有5种形态，并且每种形态的颜色都不相同。这种略带蓝色的立方晶体被称为γ相。
如果温度继续降低至-229.3℃，固体氧变成β相：晶体变成菱面体结构；颜色逐渐由淡淡的蓝色变成粉红。
温度继续降低至-249.3℃时，固体氧变成单斜晶体结构，其色浅蓝，被称为α相。
如果温度保持为室温，而把压强增至90亿帕后，固体氧变成等轴晶体结构，色橙红，被称为δ相。
若压强超过100亿帕，固体氧变成ε相，色深红至黑色。ε相的固氧又被称为红氧，有成为新型助燃剂的潜力。不过它其实是O8，是由4个氧气分子组成的菱形晶体。
如果继续加压至960亿帕，固体氧会变成带金属光泽的ζ相。此时的固体氧可以称作金属氧，因为它已变成导电体。
至于固体氧为何颜色多变，仍然是一个谜。

本文源自大科技*科学之谜  2016年第11期杂志文章、欢迎广大读者关注我们大科技的微信号：hdkj1997