熒光物為什麼會黑暗中發光？

古有夜明珠

今有熒光棒

雖然都是幽幽地

在黑夜裡發光

但此熒光非彼熒光

你能分清嗎？

1

Q

火的本質是什麼？

By 火火火

A

「我就是我，是顏色不一樣的煙火」，小火悠悠地唱道。「火」是一個比較生活化的詞語，所以表達有些模糊，有人認為它指的是一種物質，也有人認為它是一種現象，其實都有道理。火是由處於激發態的氣體和或等離子體組成的。其能量通常源於化學能、電能等，劇烈的能量釋放過程可以使氣體分子或原子處於激發態，其中的電子躍遷產生髮光現象；更劇烈的情況下，氣體被電離，處於等離子體狀態。

對此，大家可以做一個有趣的實驗：兩塊平行的金屬板分別連接摩擦起電器的正負電極，將點燃的蠟燭放置在平板中間，會發現原本細長的火焰被拉向兩側，變得扁平了！另外，磁流體發電機中，將高溫火焰（添加一些物質增強電離和導電性能）快速通過加有強磁場的通道，其中等離子體因受洛倫茲力在磁場中分離，到達兩側極板，獲得電能。

2

Q

鏡子的反射率與什麼有關，有理論上限嗎？

By喧囂的風兒

A

光介質的反射率是指當入射光垂直打入介質時，其反射光強與入射光強的比值，與其對應的是光介質的透射率，根據能量守恆我們知道二者之和為1。一般光介質的反射率與透射率是通過求解光入射到介質表面的麥克斯韋方程組的邊界條件得到的，其大小與介質的介電常數和磁導率，以及入射光的頻率有關。不過在大多數情況下，磁導率和光波頻率的影響可以忽略不計。對於鏡子，我們知道一般鏡子是由鏡片（一般為玻璃）和鍍在鏡面的金屬膜（最常見的是銀）構成的。玻璃的透射率很高，而金屬膜的反射率很高，這樣光打到鏡子上以後，很大一部分的光透過了玻璃，再由金屬膜反射回來，所以鏡子的反射率是由玻璃的透射率和金屬膜的反射率共同決定的，一般鏡子的反射率都在90%左右。對於一些特殊用途的鏡子來說，如實驗室中的一些反射鏡，能達到95%以上，甚至99.9%，但是絕對無法做到100%的反射率。

3

Q

麥克斯韋妖是怎麼一回事？

By問完問題去吃飯

A

麥克斯韋妖是麥克斯韋所進行的一個思想實驗，試圖用於說明熱力學第二定律的局限性。他設想一個容器被擋板隔為A和B兩個區域。有一個小妖控制著擋板，小妖知道每個分子的運動速度，並且當A中速率較高的分子要撞上擋板時，小妖會為其開一扇門，引導分子進入B，而不讓速率較低的分子通過。在另一側，則讓速率較低的分子進入到A，速率較高的分子留在B。這樣一段時間後，A中分子整體速率較低，B中分子速率較高。即A中溫度較低，B中溫度較高。這似乎在不做功的情況下，使得A的溫度降低，B的溫度升高。因此麥克斯韋認為：熱力學第二定律只在物體較大，難以區分構成物質的分子時，熱力學第二定律才成立，因此要對熱力學第二定律加以限制。

我們都知道，麥克斯韋妖是被證偽的。原因很簡單：在麥克斯韋的假想中，容器應是孤立系統。實際上，為了知道每個分子的運動速度，我們需要加入能量或者物質進行檢測，容器實際上不是孤立系統，因此麥克斯韋妖不僅沒有駁倒熱力學第二定律，反而成為熱力學第二定律的一個例證。

4

Q

「秒差距」是什麼？如何解釋？

By I love science

A

秒差距是天文學中常用的距離單位，是由三角測距法引出的概念。在三角形中，如果我們知道底邊長度和兩個角的大小，我們就可以知道兩個側邊長度。天文學家依據這個原理來測量遙遠天體的距離。當觀測者從一個位置垂直於此時的視線平移到另外一個位置時，兩個觀測點和星體的連線會有一個夾角，相當於三角形中底邊對應的頂角，也就是「視差」。在星體非常遠的情況下，在我們可以移動的距離內，兩個側邊的差別就可以忽略不計了，而兩個底角接近直角。這個時候得到側邊長就是我們距離遙遠星體的距離。依此，人們將秒差距（pc）定義為：平移一個天文單位（日地平均距離，AU）引起的視差為1」時，觀測者和天體的距離為一個秒差距。現在假想我們在這個遙遠天體上看觀測者，觀測者移動了一小段距離，這個距離所對應圓心角為1」，此時弦長和弧長也近似相等。秒差距也就是1AU的弧長對應1」的圓心角時該圓半徑的大小。這樣算出秒差距約為3.26光年。

（圖中對角度有所誇張）

5

Q

為什麼在容器內測量水時水會有一個凹面？

Bywolf

A

這個還是屬於浸潤和不浸潤的問題。在本專欄59期荷葉為什麼打不濕中，還欠大家一個關於吉布斯自由能和浸潤的關係的解釋，這裡一併說了。

題主可能只觀察過部分現象，實際上，並不是任何容器盛水時都會形成凹液面。假如有一個石蠟做成的容器，那個容器內所盛的水形成的即是凸液面。產生這一現象的原因是，水在玻璃表面浸潤，而在石蠟表面不浸潤。

那麼，水在某種材料表面是如何與吉布斯自由能聯繫起來的呢？我們以水為例。水覆蓋在玻璃上這一過程中，產生了一個新界面：水—玻璃界面；失去了兩個界面：空氣—水界面、空氣—玻璃界面。如果形成的界面的表面張力減去消失界面的表面張力大於0，即比表面吉布斯自由能大於0，潤濕自發進行，形成浸潤現象，而水在石蠟表面則與上所述相反。

如果我們用一根玻璃細管插入到水中，會觀察到非常明顯的浸潤現象——毛細現象——液面會隨著容器壁被拉高。如果玻璃毛細管插入到水銀中，液面則會被壓低。一個小小的比喻：當液體在固體表面浸潤時，各個小小的液滴就像遇到一個漂亮的小姐姐，爭著去和小姐姐接觸；在不浸潤中，小液滴們就像遇到了恐怖的怪物，都不敢見到他，但是總有小液滴不得不被推到前面和怪物接觸，但是小液滴們總是保持和怪物接觸的距離盡量小。

6

Q

熒光錶盤、熒光棒、熒光橡皮等熒光物質是怎麼在黑暗中「發光」的？

By 幽幽的熒石

A

從某種程度上說，熒光棒的原理和本專欄57期月黑風高夜，我家的冰糖怎麼發光了？講到的摩擦熒光的原理是類似的。只不過摩擦熒光是機械能轉化為電能激發氮分子發光，而熒光棒是通過化學反應的化學能激發熒光分子發光。在光譜學上，其發光都可稱為「熒光」。而熒光錶盤、橡皮等有夜明功能的東東發的光術語上叫做「磷光」。

有啥區別呢？這可以從我們物質世界的基本單元——原子說起。原子中的電子處於一系列的分立的能級上，由於泡利不相容原理，每個原子軌道上只能容納兩個自旋相反的電子。當原子形成分子時，軌道重新組合為分子軌道（如果原子結合成大塊物體，就形成能帶），能級通常也會發生一定的偏移。一般分子的基態都是自旋相反的電子兩兩配對佔據從低到高一系列能量不同的分子軌道上，總自旋為0，這個狀態記為S（當然有些例外，比如基態氧分子就不是自旋相反配對的）。如果激發後自旋依然兩兩相反，則稱為單重態，用S1、S2…表示。如果自旋發生改變，有處於兩個軌道上自旋平行的電子，總自旋為1，則稱為三重態，用T1、T2…表示。S-S的躍遷在量子力學的處理下符合躍遷選擇規則，是允許躍遷，躍遷概率大，發光強度高，壽命相對較短，稱為「熒光」。T-S的躍遷不符合躍遷選擇規則，稱為禁阻躍遷。雖然認為「禁阻」，但是我們處理光譜問題採取了「含時微擾」的近似手段，實際上依然有小概率發生該過程。相應的發光強度低、壽命長（電子在困難的事情面前也會犯拖延症），稱為「磷光」。我們往往看到夜光錶盤等東西經過光照後再拿到暗處會格外亮，正是因為吸收光能處於激發態的電子大大增多，在隨後的緩慢退激發過程中也相應放出比較多的光能。

以上的部分如果讓你依然雲里霧裡，可以在心裡狠扁答主怪其沒講懂。不過你需要知道有些熒光雖然被稱為「熒光」，實際上是磷光。它們發光過程中分子退激發的路徑不太一樣。

7

Q

如果坐在光速飛船上，同方向發射一束光，光相對飛船還會前進嗎？能否以光速飛船為基礎，然後我們再運動，這樣我們能否超越光速在進行運動？

By 王智深、尹睿晗

A

在狹義相對論的世界裡，不同的參考系中，不僅單個物體的絕對速度不同，兩個物體的相對速度也是不同的。就第一個問題中的情況來看，可以用狹義相對論的基本原理——光的真空速度在任何慣性參考系裡都是c（常量）來解釋：如果你在飛船里，將認為光以光速c遠離你；如果你在「地面」（飛船相對你的速度是光速c），將認為光的速度也是c，而認為飛船和光相對速度為0。

感興趣的朋友可以試試做些簡單計算。狹義相對論基於相對性原理和光速不變原理，可得到在不同慣性系中速度的變換公式為u=，可以在圖中看到公式中物理量的對應：v代表K （參考系）相對K（參考系）的速度，u 代表研究對象在K 中的運動速度。知道這些，就可以求出研究對象在K中的運動速度。以問題中的情景為例，若參考系K和飛船K』相對速度為v=c，K 中發出光的速度為u =c，代入到公式計算，就可以得到在K中的速度u=c，可以看到理論的自洽。

而第二個問題同樣可以計算。若光速飛船參考系v=c，而人相對飛船的速度u』≠c，代入後同樣得到u=c。也就是說不論你在飛船里以多大的速度向「前」，別人在K參考系裡依然認為你和飛船速度相同。怎麼樣，很不可思議吧？

8

Q

四氧化三鐵是如何產生磁性的?

By 佚名

A

首先我們需要了解一下Fe3O4的晶體結構。尖晶石結構是AB2O4型離子晶體。其中A為二價金屬離子，B為三價金屬離子 。O2-離子為立方最密堆積，二價陽離子A填充8個四面體間隙，三價陽離子B填充16個八面體間隙。晶體中原子比為8:16:32(A:B:O)。而Fe3O4(Fe(FeO2)2)的反尖晶石結構與尖晶石結構的區別在於Fe2+佔據了一半的八面體間隙，而Fe3+佔據了剩下的一半八面體間隙和全部四面體間隙。

過渡金屬氧化物的磁性主要由過渡金屬離子3d電子提供，但是由於金屬離子被較大的氧離子隔開，間距較大，因此兩個相鄰的磁性離子之間電子云幾乎沒有重疊部分，故不能產生直接的交換作用(電子間庫倫作用的量子效應)，但相鄰的過渡金屬磁性離子與中間的氧離子可以發生直接的交換作用，從而使電子非局域化，從而實現間接交換作用，也就是超交換作用。超交換傾向於使自旋反平行，因此Fe3+、Fe2+與氧離子形成的Fe-O-Fe均為反鐵磁性，而Fe2+-O-Fe3+由於A、B位上的反向磁矩並不能抵消，導致表現為亞鐵磁性。此外陽離子-氧離子-陽離子形成的夾角越接近180度，間接交換作用越大。這個時候我們需要考慮晶體結構，而對於反尖晶石結構，一共有五種間接交換情況，而五種中夾角最大的是A-B的約154°的夾角，這裡由於篇幅就不展示了，有興趣的同學可以自己畫平面圖計算一下。而A-B為Fe2+-O-Fe3+類型，因此四氧化三鐵表現為亞鐵磁。另外氧和鐵形成的不同晶體結構的化合物，其磁性的判斷也同樣需要晶體結構和交換作用同時考慮。

總而言之，這個問題比較複雜，眾說紛紜。答主認為：不考慮交換作用，就只會得到鐵磁性結果，這是不能接受的；涉及亞鐵磁性，則需要海森堡模型解釋。

本期答題團隊：

大化所J.Baker、北理工文卿、物理所李治林、Aaron Chen、葛自勇、木公可可

寫下您的問題，下周五同一時間哦~

識別下方二維碼快速提問

上期也精彩

編輯：PXL

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！