水和空气均无色透明,为何我们能够看见水,却看不见空气?
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发布时间：2022-04-25 17:05
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时间：2023-10-21 14:10
纯净的水是无色透明的，干净的空气也是无色透明的，人眼看不见空气，却为何能够看见水？同样是无色透明的物质，为啥存在这样的差异？
什么是无色透明？
通常所说的透明是对可见光而言的。一些在可见光下不透明的物体，在波长更短、频率更高的X光照射下就透明。比如木材在可见光下不透明，但在X光下便是透明的。不管是x光还是可见光，或者是红外光、紫外光，它们本质上都是电磁波，唯一的区别就是频率或者波长的不同。根据物体的透光（可见光）特性，我们将物体分为透明物体和不透明物体，它们之间并没有明显的界限。通常，玻璃、水、空气等认为是透明的，而钢铁、木材等认为是不透明的。一些物体，当足够薄时，也能够透光。比如一张薄薄的纸，在强光照射下就能透光，但我们却很难看清纸张背后的物体的影像，这被称之为半透明。广义上来说，能够透光的物体便是透明的。
上图为半透明的纸张
阳光由7种色光组成，透明物体的颜色由它所能透过的色光决定。我们用透光率来描述透明，透明物体的透光率都较高，几乎不存在透光率100%的物体。此外，虽然同样是透明物体，但不同物体由于其在组成成分、内部结构等方面的不同，对不同波长的光的透射率也不同。几乎能够让所有色光都通过的物质，我们便认为它是无色透明的。
决定物体透明度的因素
透明度就是物体透过光线的能力。一般来说，物体越均匀、越纯净，对光的吸收越少，物体的透明度也就越高。
许多气态或液态物质都是透明的，而固态物质中只有少数是透明的。从基础层面来看，物体是由原子构成的，分子也是由原子构成的。物体透不透明自然就跟组成该物体的原子结构以及原子的排列结构有关，就是物体的内部微观结构。
原子由原子核和核外电子构成，原子核则由中子和质子密实的结合在一起，占整个原子质量的99%。电子的个头相对于原子核来说虽然很小，但电子在原子核周围呈概率分布，形象的称之为电子云。不同种类的原子的结构是不同的。原子之间通过外层电子牵手，在电磁力的作用下构成宏观物质。
光是电磁波，具有波粒二象性，既是粒子又是波，因此不能以宏观视角来看待光在物体中的传播以及光与物质的相互作用。光具有不同的波长，一般来说，波长越短的光，其穿透能力也就越强。光照射到物体表面或者穿过物体时，便会与物体内部的原子发生电磁作用。光照射到物体表面，一部分光会被反射回去，另一部分光穿过物体表面进入物体内部。在这个过程中，部分光会被原子所吸收，也就是光在传播的过程中会发生衰减。
上图为激光在水中的传播
光在穿过能够透光的介质时，除了在介质的表面会发生反射，还会在穿过介质时发生折射和散射。大气就是由多种气体混合而成的，阳光在穿过大气层时便会发生折射。光在穿过大气层时，与大气分子碰撞，还会发生散射，天空颜色的形成便与此有关。
大部分气体都能够透光，这是因为原子之间的间隙较大，光能够很顺利的通过而不被吸收。而固体原子之间的间隙较小，并且固体的厚度也大于可见光的波长，所以决定它透明度的因素就更复杂了。正是因为*条件太多，因此透明固体的种类才非常少。自由电子的数量、晶体结构、能带结构等都是影响固体透明与否的因素，要综合好几个条件来决定。
上图为透明的宝石
光与原子的电磁作用基本上都发生在电子层面。当光穿过物体时，如果物体对光的吸收率较小，透明度则较高。
人是如何看见世界的？
人类能够通过眼睛接收电磁波，可只能感知可见光波段，经由神经系统处理后形成视觉，脑子中便有了世界的模样。虽然任何有温度的物体都能发光（红外光），可人眼只能接收可见光，波长大约在400~760纳米之间，超出这个范围就感知不到了。
人眼是靠感知光线来感知世界的。物体要么自身会发光，要么可以反射别的光源发出的光。眼睛中的晶状体相当于一个凸透镜，能够把视线之内的物体发出或反射过来的光汇聚到视网膜上，视网膜上的视神经细胞就负责感知画面中的颜色、亮度、饱和度等信息，最终在我们大脑中形成了世界的样子。
事实上，人眼接收到的大部分都是反射过来的光。反射又分为镜面反射和漫反射。之所以能看见这个世界，就是因为漫反射的存在。即使乌云遮天蔽日，仍有部分阳光能够透过乌云照射到地面上。地面上的人接收到了物体反射过来的阳光，便看见了该物体的存在。
颜色的本质是光的频率或者波长不同，物体能够反射何种色光，我们便认为该物体是何种颜色的。由于自然界中的物体大多由多种物质组成，反射过来的光由多种色光混合构成光谱。那么准确点来说，物体能反射什么光谱，在人眼中便是什么色彩。我们之所以能看见绿叶，就是因为绿叶只能反射绿光。
对于颜色相同的物体，我们通过分辨颜色的饱和度和明亮程度来区分物体的不同区域或者轮廓。不管是透明物体还是不透明物体，它们在反光率和透光率方面都存在差异，也就是它们在反射光线或者透过光线时对光的吸收能力不同。
人是如何看见水的，又为何看不见空气？
通过上面的介绍，相信大家对透明以及我们是如何看见这个世界的，有了更深刻的认识。那么就让我们回到主题，先来说一说光在水和空气中的传播。
水和空气的透明度都很高，但光在它们内部的传播却存在差异。空气密度小，比较稀薄，光很容易穿过。而穿过水的光子可能并不是原来那个光子，这是因为光在水中传播时发生了耦合。核外电子会按不同能级分层排布，此时原子处于基态。光在水中传播时，会不可避免地碰上电子，电子吸收了光子之后便会从低能级跃迁到高能级，原子进入激发态。不过这种状态是不稳定的，当电子回落时，便会释放出与之前吸收的一模一样的光子。在我们看来，光穿过了水，水是透明的。
上图为电子回落示意图，会释放出一个光子
不存在完全透明的物体。水看起来是透明的，这是因为光在水中的衰减率小。空气也是同样的道理，但光在空气中的衰减率更小，从光在空气中的传播速度与光在真空中的传播速度差不多就可以知晓。如果光在水中的传播距离足够远，水就不是透明的了，比如深海看起来就不是透明的，水对光的吸收就是主要原因。
上图为浅蓝色的游泳池
水对不同波长的光的吸收率也不同，蓝光及紫光更容易透过水。人眼对蓝光更敏感，水越深越显得蓝，海洋是蓝色的就是这个原因。光在空气中传播，影响更多的是散射。天空之所以是蓝色的，不是因为海洋是蓝色的，而是因为大气对蓝光等短波的散射能力更强。而在清晨或者傍晚时分，靠近地平线的天空则是橙红色的，这也与大气对光的散射有关。由此可见，无色透明是有条件的。
上图为清晨或者傍晚时分的天空
对于自然界中无杂质并且深度较浅的水，我们可以根据水中的气泡、水面的反光及水面的轮廓来判断水的存在。水面就是水和空气的分界面，其实水中的气泡也是水和空气的分界面，更准确点来讲就是水和非水部分的分界面。即使其它物体的光穿过水发生折射，物体的影像发生扭曲，如果没有对比，我们也很难确定是否存在水。
我们生活在空气中，由于空气并不反射光，凭视觉无法感知到空气的存在。在炎热的夏季，黑色沥青路面在阳光的照射下吸收了大量的热，加热了路面上方的空气，远远望去热浪扭曲了后方的影像，但这并不能认为我们看见了空气。虽然不能看见空气，但是通过感知空气的快速流动，也就是风，便能真真切切的感受到它的存在。
如果我们生活在水中，仅凭视觉也无法感知到水的存在，除非水中有气泡，或者到水面之上，我们才能判断水的存在。
综上所述，我们之所以能够看见水，并不是因为我们真的看见了水，而是看见了被水扭曲了的其它物体的影像。而我们生活在空气中，无法对比差异，自然就看不见空气。很多人会不经意间撞上透明的玻璃大门，就是这个原因。
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