水看起來透明，是因?yàn)樗鼘梢姽馕盏纳伲蟛糠值目梢姽饪梢酝高^水。

水不是對所有的光都透明。

可見光的范圍

光是粒子，也是電磁波，所以光有波長與頻率，頻率越高，波長越短。

由上圖，我們?nèi)庋劭梢姷淖匀还鈱儆诳梢姽?，它只占整個(gè)光譜的很小一部分?？梢姽獾牟ㄩL大約在380～780nm之間，其頻率范圍大約為4.2×10^14～7.8×10^14Hz。

可見光的光子會(huì)毫無阻礙地穿過水嗎？

光是由無數(shù)個(gè)不同頻率光的能量子相互疊加的電磁波，每一個(gè)能量子都有自己的頻率和波長。光子是能量子，同時(shí)也是玻色子，盡管光子極小并且沒有靜止質(zhì)量，但它有波動(dòng)的幅度，并且它是帶電的。這意味著光子它射入水中之后，不會(huì)像中微子那樣長驅(qū)直入，在電場的作用下它可能跟水分子中的電子相撞。

真的會(huì)相撞嗎？我們來算算：單個(gè)水分子的體積約為3 ×10^-29m3，單個(gè)水分子的直徑（假設(shè)它是個(gè)圓球形）約為0.4nm，而水分子間氫鍵的長大約也是0.4nm。由此可見，對于波長范圍在380～780nm的可見光來說，0.4nm的空隙實(shí)在是太小了，并且水分子是無序排列并不斷振動(dòng)，因此碰撞幾乎不可避免。

上圖為水表面分子團(tuán)簇的電鏡渲染圖像，像花朵的凸起部分為電子云，其中間的凹槽為氫鍵。

當(dāng)光子與水分子相碰時(shí)會(huì)發(fā)生什么？

水分子表面聚集著一團(tuán)密集的電子云，其中電子會(huì)按照自己的能量級別（能級）在它們各自的軌道上出現(xiàn)，我們稱這是電子的“基態(tài)”。電子的軌道并不是固定不變的，當(dāng)分子受熱或被光照射時(shí)，那些被照射到的電子因?yàn)槭艿焦庾拥淖矒舳c光子發(fā)生耦合（激發(fā)態(tài)），耦合后的電子獲得相應(yīng)光能量子的能量后會(huì)躍遷到更高一層能級的軌道上去。

與此同時(shí)，那些到了高一級軌道的耦合電子并不穩(wěn)定，它們有回落（回落也是躍遷）到原來軌道的趨勢，在回落的同時(shí)，電子會(huì)向外釋放一個(gè)光子，這個(gè)光子雖然與前一個(gè)耦合的光子不同，但它所攜帶的信息幾乎與前一個(gè)光子一樣。光就是以這樣接力的方式不斷在水中接力傳輸，直到重新被射出水。

我們看到射出水的光已經(jīng)不是之前射入水面的光了，一個(gè)直觀的證據(jù)是，可見光會(huì)因?yàn)椴煌伾庾铀鶖y帶能量的不同，它們在水中的折射率也會(huì)不同，最終出射的角度也就區(qū)別，有時(shí)候你可以看到赤澄黃綠青藍(lán)紫七色光被區(qū)分了開來。

所有的光子都會(huì)被傳遞嗎？

并非如此。當(dāng)一束陽光照射到水面，大約會(huì)有近10%的光子會(huì)被水面反射，剩余的有相當(dāng)多光子會(huì)被水吸收。水的反射機(jī)制很復(fù)雜，并且與本文主題關(guān)聯(lián)性不大，故在此略過不談。

我們先來看看水對光的吸收能譜：

從這個(gè)吸收能譜上我們看出：紫外光波段中大部分會(huì)被水吸收；從近紅外波段到中紅外波段，水的吸收率升高；而到了遠(yuǎn)紅外波段水的吸收率又呈現(xiàn)逐步下降的趨勢；對于可見光，水的吸收率是最低的。

如果我們將可見光的吸收能譜單獨(dú)拿出來，就可以看到，水對紫色、藍(lán)色和青色光的吸收率最低，這些頻率的光能量子更加容易透過水，沒有被水吸收的光譜相混合就是海水和泳池中的水呈現(xiàn)藍(lán)色的主要原因，水越深，它就越顯得藍(lán)。而在杯子里的水你就無法分辨顏色的差別。

為什么有的光子會(huì)被吸收？

這與光子所攜帶的能量有關(guān)，同時(shí)也與水分子中電子的“帶隙”寬度有關(guān)。水分子對光吸收的光譜稱為“吸收帶”，以紫外光為例，當(dāng)相應(yīng)頻率的光能量子與電子發(fā)生耦合，耦合后的電子能量不足以激發(fā)它順利躍遷到上一能級，更不能因回落釋放新的光子。激發(fā)的失敗會(huì)加速原子振動(dòng)，使其產(chǎn)生熱能。

我們用100nm波長的紫外線照射，可以很容易地加熱水，紅外光也可以加熱水，這與我們將水放進(jìn)微波爐里加熱（微波也是光波）是一個(gè)原理，都是相應(yīng)波長的光被水分子吸收并產(chǎn)生熱能。

（友情提醒：使用微波爐加熱水后，在取出水時(shí)需千萬注意，因?yàn)樗晃⒉ň鶆蚣訜?，它即使到了沸點(diǎn)也不會(huì)翻滾沸騰。而只要你稍微搖晃杯子或?qū)⑸鬃臃胚M(jìn)去就會(huì)發(fā)生“暴沸”，過熱的水會(huì)立刻飛濺出來，有可能造成燙傷！）

從水的吸收能譜我們還可以看出，水對所有光都存在吸收作用，只是在可見光波段以及近紫外光波段吸收得比較少，相應(yīng)頻率的光能量子可以更容易將電子送到它上一級導(dǎo)帶，并在回落時(shí)發(fā)射一個(gè)光子。隨著這個(gè)過程反復(fù)進(jìn)行，連420nm波長的紫色光也有可能會(huì)被吸收。

深海的海底暗淡無光，一方面是因?yàn)楹Ｋ泻性S多雜質(zhì)，同時(shí)也與水對光的全面吸收有關(guān)。

總結(jié)：

一、光是由無數(shù)不同波長和頻率的光的能量子相互疊加的電子波，光在水中是否被吸收與光子的能量密切相關(guān)。

二、水分子的電子被光照射時(shí)，一部分電子會(huì)獲得能量躍遷到更高的能級，當(dāng)耦合的電子回到基帶時(shí)會(huì)發(fā)出一個(gè)光子，這個(gè)光子與前一個(gè)耦合的光子所攜帶的信息幾乎相同。

三、一部分頻率的光能量子并不能激發(fā)電子躍遷到上一級導(dǎo)帶，它們使水分子發(fā)生振動(dòng)產(chǎn)生熱能，同時(shí)被水吸收，水的吸收波譜與不同光子所攜帶的能量有關(guān)，也是水自身的特性決定的。

四、不被水吸收的光傳輸?shù)轿覀兊难劬铮覀兙驼J(rèn)為水是透明的。水是否透明指的是水對可見光光譜的透明，本文也主要針對可見光進(jìn)行分析。

五、為分析方便，本文中對于光在水中傳輸或吸收的分析全部針對純凈的水，不涉及水中可能存在的其它雜質(zhì)的影響。

六、隨著傳輸距離的增加，所有的可見光都將被水吸收，因此透明是有條件的。

關(guān)于水為什么是透明的科學(xué)道理，你明白了嗎？