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亚热带农业生态所桃源站

寻找大自然中神秘的绿光

地球的皮肤
2016年01月06日
尽管五彩缤纷的世界里到处都能看到绿色,但是植物的绿色又属于反射光,植物本身并不是绿光源。仔细想想才猛然发现,生活中真的几乎看不到自然界的绿色光源。
为什么在生活中看不到绿色光源呢?自然界中的光源有几大类,最常见的一类,在我们的日常经验里确实是偏红偏黄的,比如篝火、蜡烛、太阳、白炽灯等等。这类光源有个共同特点,都通过高温使得物体发光。这种发光基本都近似于黑体辐射。我们知道,黑体辐射的能量分布是与温度有关的,温度低的就偏红,温度高的偏蓝。下图中标有温度的曲线即为色度图中的黑体辐射轨迹线,图中右上角为轨迹线区域的放大。

光谱

在我们日常能接触到的物体中,各种火焰(比如篝火、蜡烛)温度只有几百度,白炽灯温度超过2000度,太阳温度也不过五六千度。所以火焰的颜色都是通红的,白炽灯就是昏黄的,而太阳就是带一点点黄色的白了。对照上图不难发现,即使是加热到超过1万度,那么看到的颜色将是偏蓝色的,而非绿色。也就是说,如果依靠加热物体来发光,那么无论如何都不会看到绿色的光线的。这也是为什么我们生活中接触到的光源绝大多数都是偏红偏黄的原因了。
不过肯定有人提出异议,火焰也有五颜六色的呀,我们节日里看到的焰火是各种颜色都有的。是的没错,不过这里的光就不是黑体辐射的光了,而是焰色反应,各种金属在高温灼烧下,其离子被激发,从而发出特定颜色的光来。不同的金属有不同的焰色反应,比如钠的明亮黄色,铜的明亮绿色等,都是很有特征的。

焰色反应

焰色反应是物质原子受激发之后发出的光,与极光有些许相通之处。极光的发光是由于来自太阳的高能粒子与大气层中的空气分子相撞,将空气分子激发后发出光线。不同的空气分子发出的光线也不一样,比如氧分子受激发后发出绿色和红色的光,氮分子会发出蓝色紫色暗红色等光线。人们还利用这一点制造出了色彩斑斓的霓虹灯。下图便是梦幻般美丽的极光。

极光

还有一类光源,就是生物发光。比如萤火虫,比如发光水母,比如鮟鱇鱼。这些由于生物体内的酶催化了一些生物反应,从而发出的光线。这些光源都是冷光源,是生物蛋白质受到激发后发光,没有剧烈的温度变化,通常光的颜色是绿色或者蓝色的,偶尔也有红色出现。中国古代就有囊萤夜读的佳话,将萤火虫作为光源在夜间读书,这里的光源就是绿白色的了。下图是日本海岸的发光水母。
发光水母
还有一类发光的现象是是荧光物质的荧光,在白天接受太阳照射后受到激发,在晚上或者暗处就能发出微弱的荧光。比如有一种矿物叫萤石,就有这样的特性,其名称也正是反映了这种特征。这一类荧光多是绿色的。
当然还有其他一些更加特殊的光源,比如核反应堆冷却池里蓝幽幽的切连科夫辐射,它是高速荷电粒子在介质中穿行,粒子速度大于介质中的光速时,所产生一种特殊辐射。
粒子加速器
最后,来一个不正经的,别拿钢铁侠不当核反应堆(下图中胸口的淡蓝光圈便是)。
钢铁侠
其实,大自然中并非没有绿光,只是自然界大部分光源是依靠高温使物体发光,发光原理是黑体辐射,这一类光源是不可能有绿色的光的。并且就我们日常接触到的光源来说,基本都是偏红偏黄的光。
总结一下,自然中的绿光大致分为金属离子受激发发光(铜离子焰色反应)、气体分子受激发发光(极光)、生物蛋白在酶的作用下发光、荧光矿质发光以及其他更加神奇的光源。
当这些美妙光源尽收眼底时,我们不得不为大自然的神奇而赞叹。