荧光物为什么会黑暗中发光？| No.62
古有夜明珠
今有荧光棒
虽然都是幽幽地
在黑夜里发光
但此荧光非彼荧光
你能分清吗？
火的本质是什么？
By 火火火
A
“我就是我，是颜色不一样的烟火”，小火悠悠地唱道。“火”是一个比较生活化的词语，所以表达有些模糊，有人认为它指的是一种物质，也有人认为它是一种现象，其实都有道理。火是由处于激发态的气体和或等离子体组成的。其能量通常源于化学能、电能等，剧烈的能量释放过程可以使气体分子或原子处于激发态，其中的电子跃迁产生发光现象；更剧烈的情况下，气体被电离，处于等离子体状态。
对此，大家可以做一个有趣的实验：两块平行的金属板分别连接摩擦起电器的正负电极，将点燃的蜡烛放置在平板中间，会发现原本细长的火焰被拉向两侧，变得扁平了！另外，磁流体发电机中，将高温火焰（添加一些物质增强电离和导电性能）快速通过加有强磁场的通道，其中等离子体因受洛伦兹力在磁场中分离，到达两侧极板，获得电能。
镜子的反射率与什么有关，有理论上限吗？
By 喧嚣的风儿
A
光介质的反射率是指当入射光垂直打入介质时，其反射光强与入射光强的比值，与其对应的是光介质的透射率，根据能量守恒我们知道二者之和为1。一般光介质的反射率与透射率是通过求解光入射到介质表面的麦克斯韦方程组的边界条件得到的，其大小与介质的介电常数和磁导率，以及入射光的频率有关。不过在大多数情况下，磁导率和光波频率的影响可以忽略不计。对于镜子，我们知道一般镜子是由镜片（一般为玻璃）和镀在镜面的金属膜（最常见的是银）构成的。玻璃的透射率很高，而金属膜的反射率很高，这样光打到镜子上以后，很大一部分的光透过了玻璃，再由金属膜反射回来，所以镜子的反射率是由玻璃的透射率和金属膜的反射率共同决定的，一般镜子的反射率都在90%左右。对于一些特殊用途的镜子来说，如实验室中的一些反射镜，能达到95%以上，甚至99.9%，但是绝对无法做到100%的反射率。
麦克斯韦妖是怎么一回事？
By 问完问题去吃饭
A
麦克斯韦妖是麦克斯韦所进行的一个思想实验，试图用于说明热力学第二定律的局限性。他设想一个容器被挡板隔为A和B两个区域。有一个小妖控制着挡板，小妖知道每个分子的运动速度，并且当A中速率较高的分子要撞上挡板时，小妖会为其开一扇门，引导分子进入B，而不让速率较低的分子通过。在另一侧，则让速率较低的分子进入到A，速率较高的分子留在B。这样一段时间后，A中分子整体速率较低，B中分子速率较高。即A中温度较低，B中温度较高。这似乎在不做功的情况下，使得A的温度降低，B的温度升高。因此麦克斯韦认为：热力学第二定律只在物体较大，难以区分构成物质的分子时，热力学第二定律才成立，因此要对热力学第二定律加以限制。
我们都知道，麦克斯韦妖是被证伪的。原因很简单：在麦克斯韦的假想中，容器应是孤立系统。实际上，为了知道每个分子的运动速度，我们需要加入能量或者物质进行检测，容器实际上不是孤立系统，因此麦克斯韦妖不仅没有驳倒热力学第二定律，反而成为热力学第二定律的一个例证。
“秒差距”是什么？如何解释？
By I love science
A
秒差距是天文学中常用的距离单位，是由三角测距法引出的概念。在三角形中，如果我们知道底边长度和两个角的大小，我们就可以知道两个侧边长度。天文学家依据这个原理来测量遥远天体的距离。当观测者从一个位置垂直于此时的视线平移到另外一个位置时，两个观测点和星体的连线会有一个夹角，相当于三角形中底边对应的顶角，也就是“视差”。在星体非常远的情况下，在我们可以移动的距离内，两个侧边的差别就可以忽略不计了，而两个底角接近直角。这个时候得到侧边长就是我们距离遥远星体的距离。依此，人们将秒差距（pc）定义为：平移一个天文单位（日地平均距离，AU）引起的视差为1”时，观测者和天体的距离为一个秒差距。现在假想我们在这个遥远天体上看观测者，观测者移动了一小段距离，这个距离所对应圆心角为1”，此时弦长和弧长也近似相等。秒差距也就是1AU的弧长对应1”的圆心角时该圆半径的大小。这样算出秒差距约为3.26光年。
（图中对角度有所夸张）
为什么在容器内测量水时水会有一个凹面？
By wolf
A
这个还是属于浸润和不浸润的问题。在本专栏59期荷叶为什么打不湿中，还欠大家一个关于吉布斯自由能和浸润的关系的解释，这里一并说了。
题主可能只观察过部分现象，实际上，并不是任何容器盛水时都会形成凹液面。假如有一个石蜡做成的容器，那个容器内所盛的水形成的即是凸液面。产生这一现象的原因是，水在玻璃表面浸润，而在石蜡表面不浸润。
那么，水在某种材料表面是如何与吉布斯自由能联系起来的呢？我们以水为例。水覆盖在玻璃上这一过程中，产生了一个新界面：水—玻璃界面；失去了两个界面：空气—水界面、空气—玻璃界面。如果形成的界面的表面张力减去消失界面的表面张力大于0，即比表面吉布斯自由能大于0，润湿自发进行，形成浸润现象，而水在石蜡表面则与上所述相反。
如果我们用一根玻璃细管插入到水中，会观察到非常明显的浸润现象——毛细现象——液面会随着容器壁被拉高。如果玻璃毛细管插入到水银中，液面则会被压低。一个小小的比喻：当液体在固体表面浸润时，各个小小的液滴就像遇到一个漂亮的小姐姐，争着去和小姐姐接触；在不浸润中，小液滴们就像遇到了恐怖的怪物，都不敢见到他，但是总有小液滴不得不被推到前面和怪物接触，但是小液滴们总是保持和怪物接触的距离尽量小。
荧光表盘、荧光棒、荧光橡皮等荧光物质是怎么在黑暗中“发光”的？
By 幽幽的荧石
A
从某种程度上说，荧光棒的原理和本专栏57期月黑风高夜，我家的冰糖怎么发光了？讲到的摩擦荧光的原理是类似的。只不过摩擦荧光是机械能转化为电能激发氮分子发光，而荧光棒是通过化学反应的化学能激发荧光分子发光。在光谱学上，其发光都可称为“荧光”。而荧光表盘、橡皮等有夜明功能的东东发的光术语上叫做“磷光”。
有啥区别呢？这可以从我们物质世界的基本单元——原子说起。原子中的电子处于一系列的分立的能级上，由于泡利不相容原理，每个原子轨道上只能容纳两个自旋相反的电子。当原子形成分子时，轨道重新组合为分子轨道（如果原子结合成大块物体，就形成能带），能级通常也会发生一定的偏移。一般分子的基态都是自旋相反的电子两两配对占据从低到高一系列能量不同的分子轨道上，总自旋为0，这个状态记为S0（当然有些例外，比如基态氧分子就不是自旋相反配对的）。如果激发后自旋依然两两相反，则称为单重态，用S1、S2…表示。如果自旋发生改变，有处于两个轨道上自旋平行的电子，总自旋为1，则称为三重态，用T1、T2…表示。S-S0的跃迁在量子力学的处理下符合跃迁选择规则，是允许跃迁，跃迁概率大，发光强度高，寿命相对较短，称为“荧光”。T-S0的跃迁不符合跃迁选择规则，称为禁阻跃迁。虽然认为“禁阻”，但是我们处理光谱问题采取了“含时微扰”的近似手段，实际上依然有小概率发生该过程。相应的发光强度低、寿命长（电子在困难的事情面前也会犯拖延症），称为“磷光”。我们往往看到夜光表盘等东西经过光照后再拿到暗处会格外亮，正是因为吸收光能处于激发态的电子大大增多，在随后的缓慢退激发过程中也相应放出比较多的光能。
以上的部分如果让你依然云里雾里，可以在心里狠扁答主怪其没讲懂。不过你需要知道有些荧光虽然被称为“荧光”，实际上是磷光。它们发光过程中分子退激发的路径不太一样。
如果坐在光速飞船上，同方向发射一束光，光相对飞船还会前进吗？能否以光速飞船为基础，然后我们再运动，这样我们能否超越光速在进行运动？
By 王智深、尹睿晗
A
在狭义相对论的世界里，不同的参考系中，不仅单个物体的绝对速度不同，两个物体的相对速度也是不同的。就第一个问题中的情况来看，可以用狭义相对论的基本原理——光的真空速度在任何惯性参考系里都是c（常量）来解释：如果你在飞船里，将认为光以光速c远离你；如果你在“地面”（飞船相对你的速度是光速c），将认为光的速度也是c，而认为飞船和光相对速度为0。
感兴趣的朋友可以试试做些简单计算。狭义相对论基于相对性原理和光速不变原理，可得到在不同惯性系中速度的变换公式为u=
而第二个问题同样可以计算。若光速飞船参考系v=c，而人相对飞船的速度u’≠c，代入后同样得到u=c。也就是说不论你在飞船里以多大的速度向“前”，别人在K参考系里依然认为你和飞船速度相同。怎么样，很不可思议吧？
四氧化三铁是如何产生磁性的?
By 佚名
A
首先我们需要了解一下Fe3O4的晶体结构。尖晶石结构是AB2O4型离子晶体。其中A为二价金属离子，B为三价金属离子 。O2-离子为立方最密堆积，二价阳离子A填充8个四面体间隙，三价阳离子B填充16个八面体间隙。晶体中原子比为8:16:32(A:B:O)。而Fe3O4(Fe(FeO2)2)的反尖晶石结构与尖晶石结构的区别在于Fe2+占据了一半的八面体间隙，而Fe3+占据了剩下的一半八面体间隙和全部四面体间隙。
过渡金属氧化物的磁性主要由过渡金属离子3d电子提供，但是由于金属离子被较大的氧离子隔开，间距较大，因此两个相邻的磁性离子之间电子云几乎没有重叠部分，故不能产生直接的交换作用(电子间库伦作用的量子效应)，但相邻的过渡金属磁性离子与中间的氧离子可以发生直接的交换作用，从而使电子非局域化，从而实现间接交换作用，也就是超交换作用。超交换倾向于使自旋反平行，因此Fe3+、Fe2+与氧离子形成的Fe-O-Fe均为反铁磁性，而Fe2+-O-Fe3+由于A、B位上的反向磁矩并不能抵消，导致表现为亚铁磁性。此外阳离子-氧离子-阳离子形成的夹角越接近180度，间接交换作用越大。这个时候我们需要考虑晶体结构，而对于反尖晶石结构，一共有五种间接交换情况，而五种中夹角最大的是A-B的约154°的夹角，这里由于篇幅就不展示了，有兴趣的同学可以自己画平面图计算一下。而A-B为Fe2+-O-Fe3+类型，因此四氧化三铁表现为亚铁磁。另外氧和铁形成的不同晶体结构的化合物，其磁性的判断也同样需要晶体结构和交换作用同时考虑。
总而言之，这个问题比较复杂，众说纷纭。答主认为：不考虑交换作用，就只会得到铁磁性结果，这是不能接受的；涉及亚铁磁性，则需要海森堡模型解释。
本期答题团队：
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
写下您的问题，下周五同一时间哦~
↓识别下方二维码快速提问↓
上期也精彩
编辑：PXL
近期热门文章Top10
↓ 点击标题即可查看 ↓
1. 电荷的本质是什么？
2. 中国数学竞赛史上最玩命的“赌徒”，用一个字换来五届IMO总分第一
3. 通往化学世界的地图
4. 快转给你的父母，告诉他们辐射的真相！| SciFM Vol.04
6. 胆小慎入→_→这或许是夏天你最讨厌的东西 | 线上科学日