彩色的氧气：氧气、液氧和固态氧的区别

对于氧气，我想大家肯定会毫不犹豫地回答道：无色的！事实果真如此吗？

正常条件下，氧气确实是无色气体，但在阿拉斯加、加拿大或者冰岛等地，我们能看见自然发光的氧气—著名的北极光。北极光拥有让人迷醉的绿色，爱斯基摩人认为这幽幽绿光是鬼神引领灵魂进入天堂的火炬。

造成这种现象的原因是什么呢？氧气真的是无色的吗？液氧和氧气为什么颜色不同？

“披红着绿”的氧气

氧气究竟是如何发出绿光的？

氧气是氧原子的主要存在方式。氧原子有8个电子，这些电子在原子核外的远动轨迹并非无迹可寻，事实上它们沿着一些特定的轨道运行。不同轨道上的电子具有不同的能量，这些能量值即为能级。轨道离原子核越近，能级越低。

在正常状态下，氧原子处于最低能级，即电子在离核最近的轨道上运行（此时的状态称为基态）。但当大气顶层的氧原子与来自太阳的高能粒子碰撞时，内层电子能从中获取能量，跃迁至能级更高的轨道。这种状态叫做激发态，是极不稳定的，电子很容易回到近核轨道上，并将获得的能量释放出来。

处在激发态的原子或分子释放能量的方式有很多种，主要可分为辐射跃迁和无辐射跃迁两种类型。顾名思义，辐射跃迁就是指能量以光子的形式被释放。反之，无辐射跃迁则不会发出光子，激发的分子或原子通过碰撞等形式，将获得的能量传递给其他分子或原子。

在10万~15万米的高空，空气比较稀薄，被激发的电子在回到近核轨道之前，可以逗留在一个亚稳定状态（也叫第一激发态），并释放出波长557.7纳米的绿光。在15万~25万米高空，如果电子吸收的能量只够它跃迁至第一激发态，那么氧原子在回到近核轨道的时候会发出波长630纳米的红光。不过因为能发出红光的物质比较多，比如氮气受激发也会发出暗红光，所以氧气的红光不如绿光受关注。

但在地表附近，空气密度较大，各种粒子间的距离较小，所以激发的氧原子很快就会撞击到其他分子或原子，以至于额外的能量来不及作为光波发射出去，就在碰撞中直接消耗掉了。这就是我们呼吸的氧气虽然也被太阳的高能射线辐射，却依旧无色的原因。

蓝色液氧

淡蓝的液氧

现在我们知道，物质一般存在3种状态，即气态、液态和固态。那么液氧和固态氧会是什么颜色呢？

其实人们最开始并不知道气体可以变成液体和固体。18世纪末，人们才发现通过降温和加压可以使气体液化。不过到1845年时，英国科学家迈克尔·法拉第（没错，就是发现苯环结构和电磁感应现象的那位高手）已经能利用冰冻的混合物对加压的气体降温，成功地把大多数气体变成液体。

看见“大多数”想必您已经明了他其实对有些气体无可奈何，氧气便是其中之一。当时的人们把这样的无法液化的刺儿头称作“永久性气体”，因为他们误以为这些气体只存在气体状态。

一直到1877年，第一滴液氧才被法国物理学家凯泰制造出来，打破了永久性气体的说法。凯泰发现液氧和氧气不同，是浅蓝色的，可他却不知道为什么会这样。直到1965年，才由加拿大英属哥伦比亚大学埃尔默教授对此做出详细解释。气态氧无色，是因为氧分子在一般情况下并不会吸收可见光。它吸收的是波长1269纳米和760纳米左右的红外线，以及波长小于400纳米的紫外线。但氧气被压缩成液体之后，它会吸收可见光，最终呈现出浅蓝色。

不过有意思的是，吸收光谱中只有位于690纳米附近的微弱吸收带是由单个氧分子吸收的。其余的强吸收带则是另一种原理——由于液氧中氧分子间的距离极小，单个光子可同时激发位于两个氧气分子中的电子。这两个电子或跃迁至同一激发态，或跃迁至两个不同的激发态，从而产生一系列的吸收带。液氧的大部分吸收带位于红光、黄光和绿光区，所以液氧看起来是蓝色的。

色彩缤纷的固体氧

那么固体氧是什么颜色呢？当液氧的温度降低到－218.8℃时，会出现略带蓝色的立方晶体。可这并不是固态氧的唯一存在形式。

事实上，固态氧一共有5种形态，并且每种形态的颜色都不相同。这种略带蓝色的立方晶体被称为γ相。如果温度继续降低至-229.3℃，固体氧变成β相：晶体变成菱面体结构；颜色逐渐由淡淡的蓝色变成粉红。

温度继续降低至-249.3℃时，固体氧变成单斜晶体结构，其色浅蓝，被称为α相。如果温度保持为室温，而把压强增至90亿帕后，固体氧变成等轴晶体结构，色橙红，被称为δ相。若压强超过100亿帕，固体氧变成ε相，色深红至黑色。ε相的固氧又被称为红氧，有成为新型助燃剂的潜力。不过它其实是O8，是由4个氧气分子组成的菱形晶体。如果继续加压至960亿帕，固体氧会变成带金属光泽的ζ相。此时的固体氧可以称作金属氧，因为它已变成导电体。

至于固体氧为何颜色多变，仍然是一个谜。