火焰的本质是什么？ | No.48

众所周知彩虹与光的色散有关。彩虹是阳光在空气中的小水滴经折射和反射形成的，具体情况如下图

以小水滴的某个截面作为参考，入射光在水和空气两种介质中的折射率不同，我们可以发现，尽管入射光是均匀的，但由于入射水滴的位置不同，则入射角不同，于是导致了不同的偏折情况，即出射光线方向各不相同。尽管如此，我们可以看到在某条光线附近的光线出射后的角度相差很小，即图上所示出射光线密集的地方，在这条光线附近接受的光强最大，我们平时看到的彩虹便源于此，故这条光线被称为彩虹线，而偏折的角度被称为彩虹角。红光的彩虹角约为42°，而蓝光则稍小一些，这也是彩虹中红圈总在蓝圈外的原因。

假设太阳光是平行入射的，那么在无数条彩虹线中最终能到达我们眼睛的那部分的集合必是一个圆锥面，情况如下图

这就是为什么我们平时看到的彩虹都有近似圆弧形状的原因了。所以彩虹也只有在背对着太阳的情况下才能看到，而且由于我们总是站在地面观察彩虹，所以本该看到彩虹的下半部分被地面截断，只能看到大概半圈，但是如果太阳高度合适，人又处于高空中的话，那么将有机会看到彩虹完全体。至于有时“虹”外有时出现的那圈颜色次序颠倒的“霓”，原理与“虹”大致相同，由于是光在水滴中经历两次反射形成的，所以更为暗淡。

风暴来临前会产生次声波，次声波的频率小于20Hz，人耳听不到，但是这个频率却很接近氢气球的固有频率。如果有风暴来临的话，风暴产生的次声波会与氢气球产生共振，这种震动能被氢气球周围的人感受到，因此，常用氢气球预测海上风暴。

地震时会产生次声波，但是在查阅一些资料后并没有发现通过氢气球听次声波，或许存在比用氢气球更好的方式监听地震产生的次声波。

这是个很有意思的问题。坡印廷矢量究竟能不能用于静电磁场呢？尤其是两个看起来毫不相关的电场和磁场。这个问题很多大科学家也曾经讨论过、迷惑过。为了简化问题，我们考虑一个无穷大的平行板电容器，中间具有电场 E ，在整个空间加一个垂直于 E 的磁场 B ，按照坡印廷矢量的定义，在板间存在一个垂直于电场和磁场方向的，从无穷远来到无穷远去的能流 S 。静态的情况真的如此么？为了说明这个问题，我们拿一个导线将极板连接起来，导线在磁场中受到安培力的作用会产生一个横向的动量？那么这动量是哪里来的呢？通过计算可以得出，这动量正是来自于电磁场的动量。而电磁场的能流和动量是联系在一起的，板间确实存在能流。然而有同学不服了，你用无穷大的理想情况是耍流氓，如果是有限大的极板和有限的蹄形磁铁，那么能量怎么从有限远处跳到另外一点？实际上，理想局域的匀强电磁场在模型上都不能存在，更不可能用操作局域在极板间，总能流也必然是连续的，只不过在板间流线比较密而已。在《费曼物理学讲义》第 2 卷，第 17 章第 4 节有关于静电磁场能流密度问题的阐述。其实，这正是守恒律要求的必然结果，感兴趣的同学可以翻看一下。 参考文献：陈熙谋 能流密度不适用于静场情形么？ 《大学物理》

火焰的实质是高温的气态或等离子态的物质.接下来你可能要问 什么是等离子态？

在物质变为气态以后,如果从外界继续得到能量,到一定程度后,它的粒子又可以进一步分裂为带负电的电子和带正电的离子,即原子或分子发生了电离.电离使带电粒子浓度超过一定数量（通常大约需千分之一以上）后,气体的行为虽然仍与平常的流体相似,但中性粒子的作用开始退居到次要地位,带电粒子的作用成为主导的,整个物质表现出一系列新的性质.像这样部分或完全电离的气体,其中自由电子和正离子所带的负、正电荷量相等,而整体又呈电中性,行为受电磁场影响,称为“等离子体”.因为物质的固、液、气态都属于“聚集态”,所以从聚集态的顺序来说,也常常把“等离子态”称为物质的第四态.

有两种因素决定火焰的颜色 ：

1 气态和等离子态物质的 元素构成 决定火焰的固有光谱 ,元素表的每种元素高温下都会发出自己特定的光色,常见的比如 钠会出现黄色,钾是紫色,铜是绿色,化合物的光色是一种杂色,因为有许多种类的元素在发光.

2 火焰的温度决定火焰的颜色,火焰是一种反应 （暴烈的火焰）低温的时候是红外线,随着温度的上升,火焰从红色橙色（3000度）到 黄色白色（4000度） 到 青色蓝色（5000-6000度）到紫色（7000以上） 到最后看不见的紫外线（几万度）,颜色在不断的改变.

从高能物理来说,红外线,有色光谱段的火焰都是低能量的火焰,温度继续高下去,火焰的颜色从紫外线到x线到伽马线等等,这些都是无法形容的 “颜色”

这个问题可以由不同的角度去理解。

第一个理解的角度是动力学方程，量子的算符运动方程满足海森堡方程，进一步取平均值之后，我们可以得到平均值的动力学方程，这个经典的动力学方程是对应的，也就是所谓的Ehrenfest定理。

第二个理解的角度是经典的运动轨迹，我们知道量子力学中，坐标动量是不対易的，[x，p]=ih/2π所以我们看到，在h趋于零的时候，坐标和动量就变得対易了，所以我们可以同时确定粒子的坐标和动量。也就是经典的运动轨迹。

当然如果从路径积分的角度去理解的，就是在h趋于0的时候，在最稳相近似下，所有的非经典轨迹都会相消，最后只留下经典的作用量所决定的轨迹。

最后补充一点，其实大家普遍相信在h趋于零的时候，量子会过度到经典，但是这种具体的对应，我们并没有完全的理解，比如在量子混沌中，h趋于0是如何过度到经典混沌的？等等

太阳源源不断地以电磁波的形式向四周放射能量。太阳辐射的能量主要集中在可见光，其中0.38 ～ 0.76 µm的可见光能量占太阳辐射总能量的46%，最大辐射强度位于波长0.47 µm左右。太阳发射的辐射电磁波通过地球大气时，大气作为一种传输介质，对电磁辐射的影响主要表现为反射、散射与选择性吸收，致使电磁辐射强度减弱，其光谱成分也发生一定的变化。在可见光波段以散射为主，红外波段以吸收为主。

大气的吸收作用：大气中各种成分对太阳辐射有选择性吸收，形成太阳辐射的大气吸收带。大气吸收电磁辐射的主要物质是：水、臭氧和二氧化碳。水汽主要吸收红外波段；臭氧主要吸收紫外波段；二氧化碳主要吸收红外波段。

大气的散射作用：当电磁波穿过大气层时，遇到各种微粒（气体分子，尘埃等），会使电磁波传播方向发生改变。大气散射降低了太阳通过时直射的强度，改变了太阳辐射的方向，消弱了到达地面或向外的辐射，产生了漫反射的天空散射光（又叫天空光或天空辐射），增强了地面的辐照和大气层本身的“亮度”。

大气的反射作用：云量越多、云层越厚，反射作用越强。

经过这一系列的作用，经过大气层的太阳辐射有很大的衰减，而且各波段的衰减是不均衡的。到达地面的太阳辐射主要集中在0.3 ～ 3.0 µm波段，包括近紫外、可见光、近红外和中红外。最后上个图。