彩色的氧氣：氧氣、液氧和固態(tài)氧的區(qū)別

對(duì)于氧氣，我想大家肯定會(huì)毫不猶豫地回答道：無(wú)色的！事實(shí)果真如此嗎？

正常條件下，氧氣確實(shí)是無(wú)色氣體，但在阿拉斯加、加拿大或者冰島等地，我們能看見(jiàn)自然發(fā)光的氧氣—著名的北極光。北極光擁有讓人迷醉的綠色，愛(ài)斯基摩人認(rèn)為這幽幽綠光是鬼神引領(lǐng)靈魂進(jìn)入天堂的火炬。

造成這種現(xiàn)象的原因是什么呢？氧氣真的是無(wú)色的嗎？液氧和氧氣為什么顏色不同？

“披紅著綠”的氧氣

氧氣究竟是如何發(fā)出綠光的？

氧氣是氧原子的主要存在方式。氧原子有8個(gè)電子，這些電子在原子核外的遠(yuǎn)動(dòng)軌跡并非無(wú)跡可尋，事實(shí)上它們沿著一些特定的軌道運(yùn)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(jí)。軌道離原子核越近，能級(jí)越低。

在正常狀態(tài)下，氧原子處于最低能級(jí)，即電子在離核最近的軌道上運(yùn)行（此時(shí)的狀態(tài)稱(chēng)為基態(tài)）。但當(dāng)大氣頂層的氧原子與來(lái)自太陽(yáng)的高能粒子碰撞時(shí)，內(nèi)層電子能從中獲取能量，躍遷至能級(jí)更高的軌道。這種狀態(tài)叫做激發(fā)態(tài)，是極不穩(wěn)定的，電子很容易回到近核軌道上，并將獲得的能量釋放出來(lái)。

處在激發(fā)態(tài)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(wú)輻射躍遷兩種類(lèi)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(wú)輻射躍遷則不會(huì)發(fā)出光子，激發(fā)的分子或原子通過(guò)碰撞等形式，將獲得的能量傳遞給其他分子或原子。

在10萬(wàn)~15萬(wàn)米的高空，空氣比較稀薄，被激發(fā)的電子在回到近核軌道之前，可以逗留在一個(gè)亞穩(wěn)定狀態(tài)（也叫第一激發(fā)態(tài)），并釋放出波長(zhǎng)557.7納米的綠光。在15萬(wàn)~25萬(wàn)米高空，如果電子吸收的能量只夠它躍遷至第一激發(fā)態(tài)，那么氧原子在回到近核軌道的時(shí)候會(huì)發(fā)出波長(zhǎng)630納米的紅光。不過(guò)因?yàn)槟馨l(fā)出紅光的物質(zhì)比較多，比如氮?dú)馐芗ぐl(fā)也會(huì)發(fā)出暗紅光，所以氧氣的紅光不如綠光受關(guān)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(fā)的氧原子很快就會(huì)撞擊到其他分子或原子，以至于額外的能量來(lái)不及作為光波發(fā)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(yáng)的高能射線輻射，卻依舊無(wú)色的原因。

藍(lán)色液氧

淡藍(lán)的液氧

現(xiàn)在我們知道，物質(zhì)一般存在3種狀態(tài)，即氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)。那么液氧和固態(tài)氧會(huì)是什么顏色呢？

其實(shí)人們最開(kāi)始并不知道氣體可以變成液體和固體。18世紀(jì)末，人們才發(fā)現(xiàn)通過(guò)降溫和加壓可以使氣體液化。不過(guò)到1845年時(shí)，英國(guó)科學(xué)家邁克爾·法拉第（沒(méi)錯(cuò)，就是發(fā)現(xiàn)苯環(huán)結(jié)構(gòu)和電磁感應(yīng)現(xiàn)象的那位高手）已經(jīng)能利用冰凍的混合物對(duì)加壓的氣體降溫，成功地把大多數(shù)氣體變成液體。

看見(jiàn)“大多數(shù)”想必您已經(jīng)明了他其實(shí)對(duì)有些氣體無(wú)可奈何，氧氣便是其中之一。當(dāng)時(shí)的人們把這樣的無(wú)法液化的刺兒頭稱(chēng)作“永久性氣體”，因?yàn)樗麄冋`以為這些氣體只存在氣體狀態(tài)。

一直到1877年，第一滴液氧才被法國(guó)物理學(xué)家凱泰制造出來(lái)，打破了永久性氣體的說(shuō)法。凱泰發(fā)現(xiàn)液氧和氧氣不同，是淺藍(lán)色的，可他卻不知道為什么會(huì)這樣。直到1965年，才由加拿大英屬哥倫比亞大學(xué)埃爾默教授對(duì)此做出詳細(xì)解釋。氣態(tài)氧無(wú)色，是因?yàn)檠醴肿釉谝话闱闆r下并不會(huì)吸收可見(jiàn)光。它吸收的是波長(zhǎng)1269納米和760納米左右的紅外線，以及波長(zhǎng)小于400納米的紫外線。但氧氣被壓縮成液體之后，它會(huì)吸收可見(jiàn)光，最終呈現(xiàn)出淺藍(lán)色。

不過(guò)有意思的是，吸收光譜中只有位于690納米附近的微弱吸收帶是由單個(gè)氧分子吸收的。其余的強(qiáng)吸收帶則是另一種原理——由于液氧中氧分子間的距離極小，單個(gè)光子可同時(shí)激發(fā)位于兩個(gè)氧氣分子中的電子。這兩個(gè)電子或躍遷至同一激發(fā)態(tài)，或躍遷至兩個(gè)不同的激發(fā)態(tài)，從而產(chǎn)生一系列的吸收帶。液氧的大部分吸收帶位于紅光、黃光和綠光區(qū)，所以液氧看起來(lái)是藍(lán)色的。

色彩繽紛的固體氧

那么固體氧是什么顏色呢？當(dāng)液氧的溫度降低到－218.8℃時(shí)，會(huì)出現(xiàn)略帶藍(lán)色的立方晶體?？蛇@并不是固態(tài)氧的唯一存在形式。

事實(shí)上，固態(tài)氧一共有5種形態(tài)，并且每種形態(tài)的顏色都不相同。這種略帶藍(lán)色的立方晶體被稱(chēng)為γ相。如果溫度繼續(xù)降低至-229.3℃，固體氧變成β相：晶體變成菱面體結(jié)構(gòu)；顏色逐漸由淡淡的藍(lán)色變成粉紅。

溫度繼續(xù)降低至-249.3℃時(shí)，固體氧變成單斜晶體結(jié)構(gòu)，其色淺藍(lán)，被稱(chēng)為α相。如果溫度保持為室溫，而把壓強(qiáng)增至90億帕后，固體氧變成等軸晶體結(jié)構(gòu)，色橙紅，被稱(chēng)為δ相。若壓強(qiáng)超過(guò)100億帕，固體氧變成ε相，色深紅至黑色。ε相的固氧又被稱(chēng)為紅氧，有成為新型助燃劑的潛力。不過(guò)它其實(shí)是O8，是由4個(gè)氧氣分子組成的菱形晶體。如果繼續(xù)加壓至960億帕，固體氧會(huì)變成帶金屬光澤的ζ相。此時(shí)的固體氧可以稱(chēng)作金屬氧，因?yàn)樗炎兂蓪?dǎo)電體。

至于固體氧為何顏色多變，仍然是一個(gè)謎。