为什么雪是白色的但冰又是透明的?它们有什么关系

在某问答平台上,有一位家长问了这样一个问题:替我四岁儿子问下,为啥雪是白色的?

这是一个有趣的问题,因为就算是从小爱科学的我,也是在25岁才真正明白了这个看似特别简单的问题的答案,所以能提出这个问题一点也不丢人,相反这表明孩子往往还保留着大人已经失去的,宝贵的求知欲。

白即透明?

那首先让我们分析一下问题的矛盾点吧,为什么雪的颜色会让人迷惑?因为水是透明的,冰是透明的,水蒸气也是透明的。那为什么偏偏雪就是白色的呢?

除非……你已经知道了真正的答案!没错,白即是透明,透明即是白,它们本质是一样的。

相信你一定会觉得不可思议,这怎么说?白就是白呀,透明就是透明呀,为什么说它们的本质是一样的呢?没关系,只要一个小实验就可以证明我的结论。

玻璃实验

首先,让我们拿一块玻璃,毫无疑问它是透明的。然后我们将玻璃重重地摔在地上,它碎了。

我们看到上面都是裂缝,那么请问裂缝是什么颜色的?

可能有人会认为它是白色,也有人认为它是什么颜色取决于周围的环境。

没关系,我们可以再浪一点,拿一把锤子过来,用力地砸向碎玻璃,就像手工捣年糕那样,将每一块玻璃打得更碎,现在我们得到了一堆玻璃渣。

请问这些玻璃渣是什么颜色的?基本可以肯定它看起来已经是白色了。

现在我们再拿一个捣药材的臼与杵来,把玻璃渣放进去捣捣捣,最后得到了一小撮玻璃粉,请问玻璃粉是什么颜色的?

▲这不是盐,是玻璃粉

好的,现在我们已经领略了从透明到白色的全过程,那么请你思考一下,究竟是什么改变了玻璃呢?在上面的描述中其实也已经提到了,其实就是“裂缝”,给玻璃加上无数裂缝后,表明的玻璃就变成了白色的粉末。

▲面粉?不,这也是玻璃粉……

白色的物质本来就不存在?

这样也行?那其它白色的物质呢……它们又是怎么来的?

很好,就让我们重新认识一下初中化学最常见的白色粉末——碳酸钙,也就是以前糊墙用的熟石灰。它在粉末状时是白色的这没有疑问,那在结晶态时是什么样的呢?

上面这块可不是什么水晶呀玻璃呀,这叫“方解石”,是的你没有猜错,它就是熟石灰结晶态下的样子,它们的分子式一模一样,都是CaCO3!

哈哈,如此廉价的熟石灰也是可以做到晶莹剃透,是不是大吃?这样的例子要多少有多少,绘画中使用的白色颜料钛白粉(TiO₂),它的结晶态是一种宝石——金红石,它也是透明的,颜色是因为其中往往含有Fe(铁)、Nb(铌)、Ta(钽)、Cr(铬)、Sn(锡)等杂质

▲金红石

由这些例子我们可以明白,白色其实根本不是颜色,它只是透明物质的一种特殊反光状态,世界上本来就不存在绝对白色的物体,我们看到的所有白色物体,在显微镜下就可以轻易发觉都是由透明微粒组成的。

▲显微镜下的细盐

从四面八方到四面八方的光路就是白

那透明与白之间的本质差距是什么呢?就在于折射和反射,当透明物质变成非常小后,它们的表面积也会变得非常大。光线在这些小微粒间反复地被折射与反射,打乱了光原来的路线,表现为“从四面八方来的光被送往了四面八方”,所以白色物质其实是会表现出环境的综合色,环境光是什么颜色白就是什么颜色。

现在让我们回到雪,我们知道显微镜下的雪是微小的、复杂的六边形结晶,是无数细小的冰。而自然环境中,我们认为阳光是没有颜色的,也就是白,所以雪反射了阳光的颜色,看起来就是白色喽。

其实颜色是不包含黑与白的。在我们的视觉神经中,所有的颜色都被激活,就会相互抵消,变为无色,亮度高的就是白,亮度低的就是黑,中间的当然就是灰了。只是因为我们生活的环境是一个充满阳光的世界,所以我们经常可以在冬季看到大片的,没有颜色只有亮度的世界,也就存在了“白色”的概念。

颜色的本质呢,是打破阳光的平衡,吸收阳光中特定颜色波长的光,或不吸收特定波长的光,比如让世界表现也绿色的叶绿素,它就是可以只收红光与蓝紫光,唯独不吸收中间的绿光,所以表现为绿色。所以透明是“什么也不吸收同时让所有的光通过”,而白色是“什么也不吸收同时向所有方向反射所有方向来的光”。什么都不吸收就是它们共通的本质。

我是酋知鱼,一条透明的科学作者,欢迎关注!

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