生命的颜色——绿色的氧

文/董欣儒 赵宗彬

 

神秘的北极光
如果你来到阿拉斯加、北加拿大、冰岛,在夜晚将目光投向星空,就可以观察到距我们最近的自然气体发光现象,这就是大名鼎鼎的北极光。尽管目前极光已经司空见惯,但神秘的极光在19~20世纪初曾经让众多科学家倍感折磨。极光到底是什么?它是如何发出特殊绿光的?我们知道,分光镜具有将光分离得到其组分颜色的能力,借助该仪器,人们发现绝大多数极光含有波长557.7 纳米的光。但诡异的是,将其同实验室中各种发光气体相比对,发现它与任何物质的光谱都不匹配。
科学家开始对此争论不休,众说纷纭,提出了种种解释和假设,如德国天文学家朱利叶斯·沙伊纳认为极光的光谱和氮气的阴极光谱绝对匹配,英国气象学家马夏尔·瓦特坚持说极光来源于元素氪,挪威极光物理专家拉尔斯·维加德坚信极光光谱是由固体氮的尘埃颗粒发射产生的。凭借“大陆漂移学说”成名的德国学者阿尔弗雷德·魏格纳认为极光来源于一种名为geocoronium的新气体。
可惜最后证明所有这些解释都是错误的!根本不存在所谓的新气体,绿光的来源只不过就是普普通通的氧气而已。
自然界中的氧
卷入以上争议的主角氧是宇宙之中含量位居第三的元素,它的元素符号为O。我们的生命与氧密切相关!氧元素非常易于与其他元素结合。我们环顾四周:无论我们生活的地球还是太空,氧几乎无处不在!尽管水分子中氢原子数量占原子总数的比例为2/3,但从质量上来讲,氧在水分子中占比高达近90%。同样,土星光环的绝大部分也是由氧构成的。云层如此,厨房中的蔬菜和牛奶也是如此!
由于氧非常易于与绝大多数的元素结合,如同被海绵吸收一样,因此,一般的天体上都不存在氧气。已知的宇宙天体中,地球是最幸运的,是唯一拥有含氧气大气层的星球。地球大气层之所以拥有高达21%的氧气,应该归功于地球上的植物。植物吸收二氧化碳,利用其中的碳来构建自己坚韧的身体,同时释放出氧分子。由于地球上拥有数量丰富、各种各样的植物,因此确保了大气中氧气的来源。
氧占据了动物质量的2/3,甚至还占据了月球质量的一半。当一只狼面向一轮满月充满野性地嚎叫时,我们完全可以将其理解为:这是氧和氧之间的问候。
氧的颜色
那么,氧气为何能呈现如此美丽的颜色?事实上,氧气尽管是无色气体,但液态氧却呈现美丽的蓝色。气态氧通常不发光,但低温时情况就大不相同。因为当氧原子中的电子跃迁到距离原子核较近的轨道时就会引起发光。普通的稳态原子电子并不会被激发,所以它们的电子不会变换轨道,也就不会发光。
不论外层空间还是高层大气,几乎都属于接近真空的环境!这才是真正的谜底!正如我们所知,一般氧原子的电子在原子核周围有确定的运行轨道,但当受到太阳电子或恒星高能紫外线辐照时,电子就会被激发,它们会跃迁到能量高但不稳定的轨道上,电子在这里难以久留,会迁移回距离原子核较近的稳定轨道上,绿光由此产生!
为什么地球表面没有极光现象呢?因为靠近地球的表面远离真空状态,大气层中气体浓度较高,激发态的原子彼此频繁碰撞,多余的能量会迅速耗散而不会以光的形式发射出来。与其相反,在空气稀薄的高层大气以及外层空间接近真空的环境下,氧的电子首先在亚稳态高能轨道上徘徊,然后迁移到能量较低的轨道并发射出光子。因此,该特殊环境下产生的绿色在我们的地球环境下不可能见到。一种光为黄绿色(波长557.7纳米),仅存在于北极光中;另一种为蓝绿光(波长500.7纳米),仅存在于行星状星云中(后者源于氧原子的二次电离,即失去了两个电子)。
谜团终于解开,确定了始作俑者就是氧气而已,一切都迎刃而解,并非存在什么神秘元素!

绚丽的星云
当我们仰望星空时,只能看到黑暗辽阔的背景下散布的点点星光。由于氧的存在,借助天文望远镜,我们也能在太空中观察到代表生命的绿色。
使用大型望远镜(光圈254毫米以上)观察猎户座星云(NGC 1916),就能够观测到明显的绿色。众多星云中,能够最可靠地展现出绿色的可能就是那些比较致密的行星云,比如天龙星座的猫眼星云(NGC 6543)以及人马星座的小宝石星云(NGC 6818)。很多业余爱好者觉得如果没有分光镜,就不能全面体验到这些星云斑斓的色彩。然而,实际情况未必如此,如果一个天体仅在一个狭窄的波段范围内发光(如行星云中的氧在500.7 纳米波长发光),分光镜就变得不再重要,我们通过肉眼就能准确地分辨出各种颜色。
你能看见什么颜色以及氧发出的绿色是否主导视野,这都取决于你所用的技能。用肉眼观测,氧发出的绿色就占据统治地位。而拍照的话,绿色就不明显了,只有行星云例外。总之,无论你使用什么设备,观测发光的氧不仅充满了知识性也充满了趣味性。
有朝一日,如果我们在一颗外星球上发现氧的独特极光,那信号灯一样的绿色就是鼓励我们继续前进的信号。几乎可以肯定,我们会在另一个世界中找到植物存在。那将是可爱的氧再次为我们的发现提供了指路明灯!
(本文作者董欣儒来自山东省德州市第一中学,赵宗彬为大连理工大学教授、博士生导师)
氧的诞生

氧的诞生

实际上,宇宙中开始根本就不存在氧。大爆炸产生了氢、氦和少量的锂,但此时仍然没有生成氧元素。大爆炸发生大约1亿年之后,氧元素才逐渐生成,这个过程十分缓慢而且极为艰难。一些早期的类似太阳的天体内部首先生成了氧,通过剧烈膨胀的形式进入深不可测的太空。
1920年,英国天体物理学家亚瑟·爱丁顿首先阐述了太阳和其他恒星的发光原理,他认为能量源于4个氢原子形成1个氦原子的核聚变过程。当一颗类似太阳的恒星走到生命的尽头时,就会坍缩形成一颗白矮星,这种白矮星实际上就是一颗由碳、氧以及其他少量元素构成的固态球体。例如,一颗拥有8个太阳质量的恒星,在坍缩之前会以膨胀气泡的形式向外释放一些物质。这个过程至关重要,当我们仰望一个行星状的星云时,总是会看到中心恒星被一个发光的圆环所围绕,该圆环含有数十亿吨的氧气。其中的一部分氧气与更大质量的超新星爆发产物一起形成新的恒星和行星。
有趣的是,我们的地球直到距今大约24亿年前才拥有含氧的大气层。之后事情好像失去了控制。距今3亿年以前,地球上长满了各种各样的植物,氧气在空气中的比例越来越多,氧气浓度甚至一度高达35%,由此造就了一个超级昆虫横行的时代。试想一下,那时候的苍蝇大小甚至不输今天的老鹰,我们得使多大的劲才能拍死这些怪物?所以说,如果地球上有太多的氧气也未必是好事呀!

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