題目里說的微波、紅外線、紫外線、伽馬射線,包括可見光,都是電磁波,無非是有些波長長頻率低,有些波長短頻率高。問題討論的是不同電磁波的穿透性。
可見光只是電磁波中的一小部分不同電磁波穿過物體的方式也不一樣,有的是衍射,有的是透射,有的是自身強度衰減,有的是燒穿介質(zhì)。我們對穿透做如下定義,如果一定強度的電磁波直射在介質(zhì)表面上,可以在厚度為L的介質(zhì)背面接收到強度下降一半的能流密度,則該電磁波的穿透尺度為L。
所以題主感興趣的應(yīng)該是,可見光對應(yīng)的L是不是最小的?
1.可見光是什么?可見光是波長430-760 nm的電磁波,恰好是地球表面接收到的太陽輻射能量最集中的區(qū)域,很顯然這是自然選擇的結(jié)果,喜歡在白天出門的智人看到的基本都是太陽照在物體上的反射光。
可見的中心波長和太陽輻射譜的最強輻射峰值波長非常接近,而太陽輻射幾乎是黑體輻射,峰值波長對應(yīng)于5500 K的黑體。黑體輻射的峰值波長 和黑體溫度 成反比,這被稱為維恩位移定律。
所以可見光的范圍完全是靠太陽溫度決定的,和對物質(zhì)的穿透能力并沒有關(guān)系。
同時恒星的溫度范圍十分廣闊,差幾倍幾十倍完全不是問題,可見光的波長雖然不能變化的太離譜,但差個幾倍完全可以。從這個視角看,可見光和紫外線、近紅外、中紅外沒有本質(zhì)區(qū)別(遠紅外溫度太低,差別會很大)。
紅色是在海平面接收的太陽輻射譜,黃色是大氣層頂部接收的太陽輻射譜,兩者的差值來自大氣吸收。黑色是5500K的黑體輻射譜。虛線框出了可見光,往左是紫外,往右是紅外。2.電磁波是怎么穿透物體的?很顯然這里的物體不是指大氣、海洋抑或星際介質(zhì)這些大尺度,而且常常可以透過可見光的流體。而是金屬、玻璃、木頭、陶瓷、石頭、塑料等生活常見的非流體,也就是固體。
電磁波如果波長遠大于物體,可以直接衍射繞過物體,長波電臺能輕松翻山,收音機用的無線電能輕松穿墻,微波爐可以加熱亞米級的食物,遠紅外線穿個塑料袋也沒什么問題。
所以對于電磁波衍射,穿透尺度 就近似等于波長 ,波長越長穿透越強。
可見光照片紅外線照片電磁波如果波長極短,電磁波會更像粒子,用光子來描述更合適,光子的尺度正比于波長 ,能量正比于頻率 ,波長越短,則頻率越高,對應(yīng)于能量更高但尺度更小的光子,尺度小保證了光子不容易“碰到”組成物質(zhì)的粒子,能量高保證了即使“碰到”了,受到的影響也小。所以波長越短的電磁波也越容易穿透物體。
對物質(zhì)的單層原子,物質(zhì)原子間距越大,原子越稀疏,越容易穿透。每層原子信號的衰減率一定,則信號衰減到一半的距離和原子間距成正比。兩者結(jié)合,穿透尺度 和原子間距的平方 成正比。而波長對能量和尺度的雙重影響,使穿透尺度 和波長的平方 成反比。再考慮物質(zhì)原子本身占據(jù)空間,起到的阻擋作用,越大的原子阻擋越強,穿透深度還需要一個比例系數(shù) 來調(diào)節(jié)不同的物質(zhì),對于木頭大約是 ,最終結(jié)果是
所以對于電磁波的透射,穿透尺度 反比于波長 的平方,波長越短穿透能力越強。
3.哪個波段的電磁波,穿透能力最弱?簡單的把透射和衍射的尺度相加,代表實際穿透尺度,即
拿Python隨便畫一下,上邊木頭,下面鋼鐵,很明顯最弱的穿透在 附近,也就是紫外線和X射線交界處,可見光離這里不算近,但也不算遠。
藍線衍射深度,黃線透射深度,綠色總和深度,紫線和紅線之間是可見光現(xiàn)在我們可以回答這個問題了,電磁波穿透能力最弱的,是紫外線和X射線交界處,也就是極紫外或者軟X射線??梢姽獾拇┩改芰﹄m然沒有那么強,但也沒有那么弱,只能算中等偏弱。
如果以能否透過1mm厚的木頭片為界,波長 的電磁波的穿透能力都很弱雞,剛好是軟X射線,紫外線、可見光、紅外線集體團滅,這四種電磁波對常見物體幾乎都不透明。
從圖上看,如果鐵磨到頭發(fā)絲那么?。?微米),對可見光應(yīng)該是透明的,在村里還沒通網(wǎng)的時候我就聽說過,但并沒有在網(wǎng)上找到這個的實驗。
4.譜線吸收和這道題有沒有關(guān)系?原子譜線波長最長的Hα譜線637.1nm,屬于可見光紅光,最短的無限短,但受限于發(fā)生效率,一般可探測的最短譜線也只到極紫外區(qū)。而分子譜線可以輕易的覆蓋可見光到紅外部分,部分有機染料的顏色就來自于染料分子譜線吸收。如此譜線如此寬泛而又找不到相關(guān)性,那就說明,
這道題事實上和譜線并沒有關(guān)系。
這道題事實上和譜線并沒有關(guān)系。
這道題事實上和譜線并沒有關(guān)系。
更何況原子譜線在可見光是有選擇的吸收,比如銅離子的藍色。
譜線看起來那么有道理其實來自于兩個巧合。
第一個巧合是太陽溫度剛好在5500K,黑體輻射的中性波長與原子譜線略有重合。但如果太陽溫度更低一些,發(fā)射更多的紅外線,也許一眾答主就要答分子譜線吸收了(也不一定,分子譜線吸收高中課本不講)。
第二個巧合是原子大小和固體物質(zhì)里的原子間距在同量級,根據(jù)前面的分析,很容易推斷出衍射和透射都弱的波長要比原子間距尺度的波長略小。利用波爾量子化駐波條件,原子譜線的波長必然接近原子尺度。所以最弱電磁波的波長、原子間距尺度、原子尺度、原子譜線波長,全都差不多。
5.那……玻璃呢?玻璃透明、橡膠透明、有些塑料透明、鉆石透明、糖塊透明、鹽粒透明、冰塊透明、水晶透明、石英透明、橄欖石透明、云母透明、方解石雙折射透兩個明。
雙折射的晶體透明后可以成兩個像上面這些要么是晶體要么是準晶體,特點是里面的原子周期性排列形成一個個的晶格。
電磁波和周期性排列的晶格作用,變化也是周期性的,就有可能從另一面出去。而非晶體隨機排列的原子,就可能讓光子找不到路而迷失在物質(zhì)內(nèi)部,逐漸耗散。
就像在規(guī)劃好的城市,大馬路橫平豎直,不容易迷路,想去哪去哪,從進京到出京很容易。但是到一個規(guī)劃混亂的城市,進去就迷路,八成你要在里面轉(zhuǎn)上好幾天,買不起吃的還得餓死,再也出不去了。
至于什么晶體透明什么晶體不透明,為什么準晶體也透明,為什么有些波段透明有些波段不透明……別問,想知道你就去學材料。
5.總結(jié)第一,穿透物體能力最弱的電磁波是軟X射線和極紫外線,因為這個波長的電磁波衍射和透射都很弱。
第二,軟X射線、紫外線、可見光、紅外線幾乎都不能透過常見物質(zhì),特別薄的和微觀結(jié)構(gòu)特殊的物質(zhì)除外。
第三,原子譜線和這道題并沒有什么關(guān)系,因為原子只吸收特定波長的電磁波。