在某问答平台,有一位童鞋问了一个非常有意思的问题:“经过反射和折射的光还是原来的光吗?我们看到的太阳光还是太阳最初发出的光吗?”。
其实也是一个非常好的问题,可以让我们对微观世界有一个不一样的认识。
首先给结论,再解释:经过反射和折射的光不是原来的光,我们看到的太阳光从也不是太阳最初发出的光。
所有的太阳光均来自表面
让我从第二个问题开始说起:太阳光为什么不是太阳最初发出的光。
太阳虽然看似是一个巨大的火球,但其实只有核心在进行聚变释放能量,外层的物质不过是被高温高热烧的通红发亮而已。核心进行的是复杂的核聚变,四个氢原子经过反复的聚变成为了一个氦原子,放出能量,这个相信很多人都知道了。
那么这个能量是如何放出来的呢?是通过伽马射线形式。在聚变完成后,生成元素的原子核质量小于参与反应前的,有一部分质量变成了能量,损失的质量就是在原子核中,把质子与中子“粘”在一起的强力(听起来可能会有点怪,力是质量吗?是的。将粒子结合起来需要能量,而能量就是质量)。
那么当原子核中粒子的组合方式变了之后,充当“胶水”的强力自然也会变,这些能量就会让原子核变为一种高能状态,被称为“激发状态”。多余的能量是无法长久保存的,于是这些能量就会以光的形式辐射出去。
伽马射线就是光,但应该就是“超级光子”,每个伽马射线光子中的能量都大得吓人,对生命有绝对的杀伤力,太阳核心释放出的就是这种光子,这才是太阳中最初的光。
那么为什么阳光没有将生命绝杀呢?因为从太阳表面出来的光子含有的伽马射线非常少,这些“超级光子”被太阳巨大的,厚厚的原子层层吸收拆解,变成了各种频段都有的光子,所以你可能听说过这样一句话:“太阳光是所有光的叠加”,这句话在不是太较真的情况下是正确的。
什么叫“层层拆解”?还记得伽马射线是怎么来的吗,是原子核从“激发态”掉到“基态”时辐射出来的,但不止原子核可以激发,电子也是可以被光子激发的,所以当一个光子在飞行中遇到一个原子时,它就会被电子吸收,令电子进入激发态。
同样,电子也不能一直保持着激发态,它会向基态掉落。但是电子的稍稍有一点不一样,它的轨道非常多,中间的能级跨度也各不相同。如果用楼梯打一个比方的话,一枚伽马射线光子下去,你等于一下跳上了五级台阶,然后怎么下来就很随意了,你可以一级一级地下,也可以先下三级再下两级,第下一次你都会释放一个光子,这就等于大能量被拆成了小能量。
太阳的直径相当于109个地球,所以从核心诞生的一个光子需要穿过极厚的物质,被原子反复吸收拆解,最终才能到达表面,飞向地球。这就导致了一个与多数人的直觉差距极大的冷知识——这个过程可能需要数万年。
原则上来说,我们看到的太阳光都是表层的原子释放的,光只要需要物质就会被吸收。
透明与反射的原理
等等……这不就很奇怪了么?那么为什么还存在透明物质与可以反光的物质呢?
其实很简单,如果没有可拆解的能量阶梯,光子的能量自然就不会发生拆解,这与物质的分子结构紧密相关。
所谓分子,就是复数个原子通过共用电子等方式组合在一起的形式。在这一过程中,原子核与原子核靠的足够近,两个原子核外层电子的轨道也发生了一定程度的融合,于是产生了新的电子轨道能极。如果说一种物质的分子它们组合而成的电子轨道对光子能量的吸收要求较高,当一个光子被电子吸收后,无法令其跃迁到最近的一个轨道上,那么这份能量就只能原封不动地“吐”出来。也就是光子被原子短暂地吸收后又再次释放了出来。
所以当光穿过透明物质时,光子一直都在被不断地替换着,当光进入我们的眼睛时也是如此,从这个角度上来说,我们从来都没有见过“真正的第一版光子”。
反射同理,金属对外层电子的束缚能力较弱,所有的电子在原子核外自由移动,构成了一个“电子海洋”,光子被“电子海洋”吸收后无法前进,只能哪儿来的哪儿去,反射就是这样形成的。
不过如果进行测量,我们会发现吸收前后的两个光子所有属性都没有变化,在量子力学中,当两个粒子的属性是一样时,它们就真的无法区分彼此(绝对不是可以视为无法区分,是真真正正的无法区分!)所以……我们也可以认为还是那个光子,跨越了万水千山来找你了。
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