物質(zhì)世界精彩紛呈，我們睜開雙眼就能看到各式各樣的物質(zhì)。

在公園里，我們可以遠(yuǎn)望藍(lán)天白云，也可以欣賞湖面波光，又或是端詳野草怪石，偶遇幾個親戚朋友。所有這一切都是由物質(zhì)構(gòu)成的，這一點我們早就知曉，但我們是怎么辨識出不同物質(zhì)的呢？

最重要的辨別方式，自然就是看 —— 不同的物質(zhì)可以發(fā)射或反射出不用的光，我們的雙眼正是通過對這些光進行反應(yīng)，才最終識別出它們是什么，或者遠(yuǎn)遠(yuǎn)就認(rèn)出熟悉的人。

這種作用方式的基礎(chǔ)，就是物質(zhì)和能量的相互關(guān)系，而我們今天能夠借助的各項儀器，絕大多數(shù)也是利用了類似的原理。

這其中，最常用的一種方法被稱為“光譜分析”，此前我們說到從太陽中看到氦元素，其中利用的方法就是通過對其輻射的特征譜線進行分析鑒定得出的。

光譜，顧名思義就是依光的波長大小排列的譜圖，它是記錄某種物質(zhì)發(fā)射或吸收光波的一種圖案，根據(jù)光譜去識別物質(zhì)，就跟看著樂譜唱出歌曲一樣、光譜的形式非常多樣，因為物質(zhì)發(fā)生能量變化的方式實在太多了，電子躍遷只是最常見的一種，我們雙眼通常也是根據(jù)這一點發(fā)揮作用。

比如，當(dāng)我們?nèi)ベp花的時候，五顏六色的花朵屹立在綠葉環(huán)抱的枝頭，而我們的眼睛可以真切地看到每一朵花，這就是一種可見光形成的光譜。在這個過程中，觀測設(shè)備是我們的雙眼，而識別設(shè)備則是大腦中的處理系統(tǒng)。

在這些花和它們的葉子中，含有很多不同的色素分子。這些分子是由原子構(gòu)成的，每一個原子中的電子，在吸收光波后，就會發(fā)生躍遷。正如前面已經(jīng)提及的，電子的躍遷必須要遵循一定的能級，是量子化的。所以，當(dāng)太陽光照射過來的時候，那些能量沒能滿足電子剛好在能級之間發(fā)生躍遷的光子，就不會被吸收，通常會直接反來。這樣一來，我們所看到的顏色，就是色素分子在吸收過所需光波后剩下的那些顏色。

眼睛本身也是一個能量與物質(zhì)相互作用的場所。就人眼而言，大多數(shù)擁有的視覺系統(tǒng)中都有三種被稱為“受體”的感光結(jié)構(gòu)，它們分別帶有一些物質(zhì)可以和不同顏色的光發(fā)生作用，然后再把信號傳遞給大腦，大腦由此識別出紅、綠、藍(lán)三種顏色。實際上，人類現(xiàn)在絕大多數(shù)電子設(shè)備也都是這樣設(shè)計的，比如電腦屏幕，也可以發(fā)出紅綠藍(lán)三種顏色，它們可以按照不同比例，調(diào)和成包括白色在內(nèi)的各種可見光。

如果人類只能看到兩種顏色，那么我們可以識別的物質(zhì)將會大為減少 —— 事實上也的確有很多人天生色盲，缺少某種感光成分，對生活產(chǎn)生了諸多不利（“色盲”這種現(xiàn)象最早也是由道爾頓發(fā)現(xiàn)的，因此色盲癥又有“道爾頓癥”的稱呼，道爾頓的實驗水平相對不高，與此可能有一定關(guān)系）。

相反，如果感光的成分更多，就會更容易觀察到物質(zhì)的變化。鳥類和一些爬行動物的眼睛中都有著四種或更多的受體，它們看到的世界也比我們?nèi)祟惛S富多彩。不過，在掌握了能量與物質(zhì)相互作用的規(guī)律后，人類用檢測儀器彌補了這些不足。

很多物質(zhì)的電子躍遷并不在可見光區(qū)，也就是說，它們吸收的光是我們所看不到的，于是這些物質(zhì)在我們看來，要么就是平平無奇的白色、灰色或黑色，要么干脆就是透明的。

玻璃就是一個很好的例子，我們偶爾會莫名其妙地撞到玻璃上，就是因為它看上去空無一物。然而，這并不代表玻璃的內(nèi)部就不存在電子躍遷，只是因為它們吸收的光波非常短，是比可見光頻率更高的紫外光，對可見光卻沒有興趣，所以我們看到的就是像水一樣晶瑩清澈的玻璃。如果我們?nèi)搜勰軌蚩吹阶贤夤?，那我們看到的玻璃或許就和青銅器差不多了。

對于這些肉眼根本無法分辨的物質(zhì)，紫外光譜儀器就可以輕松地看出它們的差別，它就是我們眼睛的延伸。

除了紫外光譜以外，還有紅外光譜、拉曼光譜、熒光光譜之類的各種光譜儀，都可以幫助我們看清物質(zhì)。它們?nèi)际抢昧穗娮釉谀芰孔饔孟掳l(fā)生躍遷的原理。即便只是在可見光區(qū)，有很多物質(zhì)也需要儀器的幫助才能看明白它們的真身 —— 這也正是我們從太陽光譜中找到氦元素的辦法。

再說一下光。從本質(zhì)上講，我們所說的光指的是可見光，從紫光到紅光區(qū)域。廣義上，光不僅是可見光，還包含紅外線和紫外線等。雖然紅外線、紫外線以及在它們波長之外的電磁波均不能引起人眼視覺，但紫外和紅外波段的電磁波可有效地轉(zhuǎn)換為可見光，利用光學(xué)儀器或攝影與攝像的方法可以量度或探測發(fā)射這種光線物體的存在，因此，在光學(xué)研究領(lǐng)域，光的概念通常延伸到鄰近可見光區(qū)域的電磁輻射（紅外線和紫外線），甚至 X 射線等也被認(rèn)為是光。

但是，能量對于物質(zhì)世界的影響還遠(yuǎn)不止于此，我們的生活，無時無刻不在感受著能量的變化。

文源：《給青少年講物質(zhì)科學(xué)》

作者：孫亞飛

文中部分圖片源于網(wǎng)絡(luò)

版權(quán)歸原作者所有

編輯：張潤昕

本文來自微信公眾號：原點閱讀 （ID：tupydread），作者：孫亞飛

廣告聲明：文內(nèi)含有的對外跳轉(zhuǎn)鏈接（包括不限于超鏈接、二維碼、口令等形式），用于傳遞更多信息，節(jié)省甄選時間，結(jié)果僅供參考，IT之家所有文章均包含本聲明。