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太阳的秘密

2019-07-16

 

 

羲和在东方的扶桑树上升起,苏尔驾着战车驶过北方的天空,阿波罗在西方弹奏着七弦琴放生高歌,展开巨翼的拉在南方翱翔。在每一个人类文明的开端,都有一个共性,那就是对太阳的崇拜。

 

我们的世界离不开太阳,太阳带给我们温暖,也带给我们光明。阳光是我们最常见的最熟悉的,却也是我们生活中最重要的东西。但是,这个距离我们1.52~1.54亿公里的天体,虽温暖却一直神秘!

 

你可曾想过,这些最普通的阳光,都是由什么组成的,科学家们又是如何从中获取宇宙的奥秘呢?

 

 

 


——遇见彩虹——

 

赤橙黄绿青蓝紫,谁持彩练当空舞。这是毛主席笔下彩虹的光彩照人。雨后的天边,一条不经意间出现的彩虹,总会引起无数行人驻足欣赏。诗人是感性的,会由此引出无数的文思,而理性的科学家则会思考这神奇的色彩究竟从何而来。

 

(图片:彩虹)

现在,我们也都知道了:彩虹也许是人类最早通过自然界认识的的分光现象,它是由于悬浮在空中的小水滴对阳光的色散作用而产生的。其实,最早发现彩虹奥秘的是牛顿老爷子呢~

 

1666年,伦敦爆发了一次大规模的瘟疫,所有大学都暂时关闭了。刚刚毕业的牛顿,此时只能在家中进行简单的实验,继续研究微积分和光学。一天,他在使用三棱镜进行光折射研究时,忽然发现,地上出现了七彩的光带。

(图片:分光)

 

这一偶然现象引起了他的兴趣,于是控制实验条件,通过狭缝筛选,将一束阳光入射到三棱镜中,并在后方布置了一个光屏。经过反复尝试后发现,当阳光进入三棱镜,并从另一面出射时,会分离成七彩的光。在查询过大量的文献后,牛顿发现了前人对该现象的解释:光线可以与三棱镜反应生成颜色。

 

这很显然是不能经受牛顿进一步试验的验证的,他通过狭缝筛选出单色光线,入射到另一块三棱镜中,单色光并没有继续发生变化;而将七彩光入射到另一块三棱镜中,却能再次获得白光。由此,牛顿推断出,白光是由红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七种颜色的光混合而成。

 

后来的科学家进一步研究发现,不同波段的光在介质中传播的速度不同,产生折射的角度也不同,因此不同颜色的光经过三棱镜的两次折射后,会分离成不同颜色。这个实验中的现象被称为“光的色散”,牛顿自己都没有想到,自己的一个小实验,开创了物理学的一个重要领域——光谱学

 

 


——红外线来了——

 

在很长的一段时间里,三棱镜分离阳光都是一个经典的实验,也是光学专家们用来研究阳光的重要方法,太阳光由七色光组成也成为了一个基本的物理常识。

 

可是在一百多年后的1800年,德国科学家霍胥尔在测量不同颜色光的热效应时,犯了一个美丽的小错误。他在获得七色光时,也是采用了三棱镜色散法,并在不同色带上都放置了一支温度计,希望通过温度上升的速率,比较出不同颜色光的加热效应。

 

不过,由于位置误差,有一支温度计放置在红色光带的外侧。而实验的结果令人惊讶,这支没有被光线照射到的温度计,竟然是温度升高最快的。经过反复的验证,霍胥尔德出了结论,太阳光中必然存在一种人眼看不到的光线,由于它的光谱位于红色光的外侧,就命名为了红外线

 


——紫外线也来了——

 

今天相宁望着37 ℃的天气里静静绽放的太阳伞陷入了沉思,这把伞带给我们的清凉,仅仅是一片黑色的阴影?不,更重要的是它挡住了一种波长更短的电磁波——紫外线,这种光虽然不会让我们感觉到炎热,但是更容易灼伤皮肤。那么问题来了,紫外线又是被谁发现的呢?

 

发现紫外线的人是另一位德国物理学家——里特,提起德国,总会让大家想到哲学家的冷静和严谨。而里特正是这样一位有着哲学家特质的物理学家,他坚信物理学事物都具有两级对称性。红外线的发现吸引了里特的兴趣,他认为既然可见光谱的红色端存在着不可见的红外线,那紫色端的对应位置,一定有某些辐射,正等待等着人们去探寻。

 

于是,经过反复的实验设计,里特终于在1801年找到了紫外线存在的证据。他将在氯化银溶剂中浸泡过的纸片放置在紫光外侧附近,观察到了纸片强烈的变黑。预测一个事物存在,再通过实验去验证和寻找,里特给后世人留下了这个重要的研究思路,近年来在高能粒子领域的开展的研究,无一不是按照这个思路进行的。

 

不过,直到那时,狭义上的太阳光光谱团队总算组成啦!成员也齐啦,就是:紫外线、可见光、红外线~~

 

(图片:太阳光谱)

 

狭义?那必定还有广义的咯??Bingo!这是因为它们是到达地表的太阳光的主要组成部分。而太阳在燃烧的过程中,实际产生的电磁波波段要比这广泛的多,除此之外还包含了无线电波、微波、x射线和γ射线。。。

 

 

 


——回顾与反思——

 

不过,在经过大气层的过程中,短于0.295 μm和大于2.5 μm波长的电磁波,被电离层、臭氧、水气以及其他大气分子强烈吸收,无法到达地表。大气层就像一层保护伞,为地球上的生命们挡住了有威胁的电磁辐射。

 

值得一提的是,臭氧也吸收了大量的高能紫外线,为人类提供了宜居的环境。如果人类不注意保护臭氧层,放任其遭到破坏,即使打着再厚的遮阳伞也无济于事~~

 

(图片:保护臭氧)



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