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[科教] 世界上最纯净的水是什么颜色?

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发表于 3-14-2017 10:51 AM | 显示全部楼层 |阅读模式

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蓝色是大自然钟爱的颜色。天空是蓝色的,那是因为瑞利散射(Rayleigh scattering)的强度与波长的四次方成反比,所以太阳光谱中波长较短的蓝紫光比波长较长的红光散射更明显,而短波中又以蓝光能量最大,所以在雨过天晴或秋高气爽时(空中较粗微粒比较少,以分子散射为主),在大气分子的强烈散射作用下,蓝色光被散射至弥漫天空,天空即呈现蔚蓝色。

那你知道为什么最纯净的水是蓝色的吗?中国科学院高能物理所研究员曹俊撰文提供了参考答案。

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为什么最纯净的水会呈现为蓝色呢(图源:VCG)

作为大亚湾反应堆中微子实验的研究者曹俊,在其文章中谈到,每一次来到大亚湾,深深吸引着他的,除了实验和结果,还有那一池最纯净的水。尽管已经见过很多次了,但当2,000吨的纯水慢慢灌注到水池中的时候,旁观者仍会感到震惊:为什么是如此深蓝色的美丽?

大亚湾实验用的液体闪烁体的透明度是世界第一。液体闪烁体的作用,是让人们能“看到”反应堆中生成的中微子。液体闪烁体里主要是碳氢化合物,有很多的氢。当中微子穿过液体闪烁体时,会跟氢发生反应,生成一个正电子和一个中子。它们都能在液体闪烁体中产生电离,激发液体闪烁体发光,这样人们就能“看到”中微子。对中微子实验来说,液体闪烁体有几个性能非常重要:光产额,透明度,天然放射性本底。

世界上最纯净的水是什么?2015年末曾有媒体报道,在距离智利首都圣地亚哥3,551公里的智利最南端,来自智利麦哲伦大学和美国北德克萨斯大学的科学家历时10天,在麦哲伦地区的威廉斯港城镇发现了世界上最纯净的水。一般来说,在每百万份水中至少会检验到两份化学物质,但是在麦哲伦地区的水样中,并未发现任何化学物质。此外,该地区的空气和水也被认为十分纯净,甚至处于工业革命之前的生态系统状态中。

而用科学家的语言来回答,什么是世界上最纯净的水,那标准答案则会是18兆欧的去离子水。

如果把水中的杂质全部去掉,水的电阻率会提高,最高可以达到18.2兆欧姆x厘米。溶入杂质后,例如泡在水中的塑料、钢等材料,都会缓慢地溶进水中,电阻率会下降,透明度也会降低。即使没有泡任何材料,接触空气后,空气溶入水中,电阻率会很快下降到1-2兆欧,再过几天,细菌就开始生长。分析光的紫外可见光谱(UV-vis),可以看到由细菌带来的光吸收峰。从自来水出发,经过几步过滤、反渗透、树脂混床,不难得到非常接近18.2兆欧的超纯水。但是为了保持纯度,需要不停地循环,去掉溶入水中的材料微粒,气体,杀菌等。

为了尽量使微弱的切伦科夫光被探测到,水必须保持极高的透明度。衡量透明度一般用衰减长度,衰减长度越长,光透过得越多。最纯的水衰减长度在425nm处可以达到100多米,即穿过100多米后,425nm的光还剩exp(-1),约三分之一的光强。普通的自来水衰减长度常常只有2-3米。

曹俊谈到,在前期试验中他们用过很多纯净水,但是没有注意到它会呈现出蓝色。也许是规模不够大,也许是观察的背景和环境不同。在地下的实验大厅,装纯净水的池子用一种很干净的涂料喷涂了几遍。它对水的污染小于不锈钢或PP、CPVC等塑料。然后贴上了Tyvek反射膜,提高光的反射和收集效率。这种漫反射膜对整个可见光波段的反射率可以达到98%,因此显得非常耀眼。

人们看到的水的颜色,当然不是它自己发出来的。在大厅中,照明灯是气体放电灯,它的发光接近于白色。光穿过10米深的水,通过Tyvek的漫反射,再经过10多米的水,才能到达我们的眼睛。Tyvek基本上不吸收光。纯水的吸收曲线如下图图a。当光穿过20米的水后,蓝光吸收最少,红光基本上全被吸收了。这样,我们看到的水就是蓝色的。

大亚湾实验混制的液体闪烁体,也呈现出漂亮的淡蓝色。不过既不是因为散射,也不是因为吸收,而是灯光中的紫外线激发液体闪烁体,液体闪烁体自己发出了微弱的蓝色荧光。大亚湾液体闪烁体添加了波长移位剂bis-MSB,它的发光光谱峰值在410nm左右。

还有一种水也是非常漂亮的蓝色,就是核电站核岛内存放核废料的乏燃料水池。换料时,乏燃料棒用机械手从反应堆内取出,移到装满水的乏燃料池中存放比较长的一段时间,再做进一步处理。不过不要被这种蓝色的美丽所诱惑,它是一种切伦科夫光,是核废料中高强度的放射性在水中发出的光。如果没有水的吸收屏蔽,这些放射性可是致命的。

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发表于 3-14-2017 11:28 AM | 显示全部楼层
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