毛衣洗后会缩水，为什么羊身上的羊毛在淋过雨后不会收缩呢？| No. 394

Original Frions 中科院物理所 2024-03-29

羊毛衣服虽好
但是缩水问题令人苦恼
缩水究竟是怎么一回事呢
为什么羊身上的羊毛淋雨后不会收缩呢

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Q1 为什么在北方泡的腊八蒜是绿色的，在南方是黄色的？
Q2 酒精等其他液体可以冻成雪花吗？
Q3 夸克的质量是怎么来的？
Q4 二氧化硅是白色的，为啥沙子是黄色的？
Q5 为什么老式打水的井要先倒点水再打水？
Q6 为什么电子层的命名是从K开始而不是从A开始？
Q7 影响物质比热容的因素是什么？为什么水的比热容大？
Q8 毛衣洗后会缩水，为什么羊身上的羊毛在淋过雨后不会收缩呢？

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Q1

为什么在北方泡的腊八蒜是绿色的，在南方是黄色的？

by 泰坦尼克号

答：
首先要知道，大蒜是怎么变绿的呢？这牵扯到一种复杂的生化反应，叫做酶促反应。大蒜细胞中存在较多的含硫类生物活性物质，泡制腊八蒜的醋能起到增加细胞膜通透性的作用，正好能让这些物质和蒜酶发生反应，这些含硫化物在蒜酶的作用下，可生成二烯丙基硫代亚磺酸酯（大蒜素）等物质。继而它们会经过一系列的复杂反应生成大蒜色素，最初为蓝色素（蒜蓝素），蓝色素会继续转化成黄色素（蒜黄素）。由于两种色素并存，所以大蒜会呈现绿色。
无奖问答：图中有几种腊八蒜？
为什么南方泡的蒜不绿？这是因为低温也是腊八蒜变绿不可或缺的条件。低温（3°C到10°C最佳）能打破大蒜的休眠，蒜酶会被迅速激活。在古代，腌制必须选在腊八前后，正是一年中最冷的时候。南方因为室温比较高，蒜酶的活性不易被激活。不过现在有了冰箱，即使在南方，即使不是在腊八，也可以随时腌制出绿色的大蒜啦。
想要知道腌制腊八蒜的小妙招吗？关注我们每周六更新的正经玩栏目，还有更多有趣的科学小实验在等着你！
by Childe
Q.E.D.

Q2

酒精等其他液体可以冻成雪花吗？

by 匿名

答：
可以，但要先澄清一下，一般我们说的从天而降的雪花，是直接从水蒸气凝华而来的，而不是从液体冻出来的，那样得到的一般是致密的冰晶（气象上称为霰，在上升气流的托举下可以长大成冰雹）而不是蓬松的雪花。
形成雪花需要两个条件[1]：一是，空气中的水蒸气在当前气温和当前蒸气压下过饱和，此时的临界气温称为霜点；二是，空气中存在小颗粒或者小冰晶可以作为凝结核让水汽附着。而在第一个条件中，水完全可以替换成其他物质。考虑到一个大气压下酒精，也就是乙醇的熔点是-114.3℃，而凝华所需要的霜点温度比这更低，所以在地球上看到酒精雪花比较困难，需要在实验室制造相应的环境，或者把地球流浪到木星轨道。
但其他行星是有可能的。比如土卫六的地表大概在-180℃，科学家推测它有可能下乙烷雪，而且还有可能下甲烷雨，土星探测器卡西尼号就在土卫六上发现了甲烷湖泊，佐证了这一点。
土卫六上的甲烷湖
再比如天王星和海王星，它们的表层大气含有百分之二的甲烷，在与其他分子形成气溶胶后共同形成了蓝色的大气。科学家普遍认为，在这两颗行星的表面温度下，甲烷是可以直接凝华成雪下下来的。
左：天王星；右：海王星
参考资料：
南方见不到雪怎么办？那就来一场人工造雪！
by 牧羊
Q.E.D.

Q3

夸克的质量是怎么来的？

by 匿名

答：
标准模型认为，夸克乃至所有基本粒子的质量来源于安德森希格斯（Anderson-Higgs）机制。由于自发对称破缺，Higgs场在真空中获得了非零的期望值，赋予了夸克质量，具体来讲，考虑Yukawa相互作用，是耦合常数，代表夸克（费米子），代表Higgs场，当的期望值不为0的时候，假设，则，也就意味着获得了质量。这样得到的夸克质量叫流夸克（current quark）质量，也叫裸夸克质量。
需要强调的是迄今为止，自然界中并未观察到单个的夸克，人们只观察到夸克组成的强子（如质子、中子）。与流夸克质量对应，当夸克组成强子时，夸克之间因为交换大量胶子，获得了更大的质量，就像穿了一层一层胶子做的衣服一样（尽管胶子本身并没有质量），这个时候就有了组分夸克（constitute quark）质量。以质子为例，质子的质量大约是938MeV，组成质子的三个夸克（两个上夸克和一个下夸克）每个夸克的组分夸克质量都为1/3质子质量大约313MeV，而上夸克的流夸克质量只有2.16MeV，下夸克只有4.67MeV，剩下的质量都来自于夸克“穿”的“胶子”衣服。
参考资料：
Peskin M E , Schroeder D V , Emil M .An Introduction to Quantum Field Theory[J].Phys. Today, 1996.DOI:10.1063/1.2807734.
Quark
Yukawa_interaction
The Review of Particle Physics (2023)
by 前进四
Q.E.D.

Q4

二氧化硅是白色的，为啥沙子是黄色的？

by 匿名

答：
先上结论：纯净的二氧化硅是无色透明的，真的不是白色的！沙子也真的不一定是黄色！
沙子的颜色通常取决于其矿物质成分和环境因素。沙子的主要化学成分是二氧化硅，也就是我们所说的石英，这是一种无色透明的矿物。但是沙子中可能含有其他类型的矿物，尤其是含铁的矿物，这些矿物可以改变沙子的颜色。当铁元素被氧化时，沙子可能会呈现出黄色。此外，沙子的颜色也可能受到当地物质条件的制约，比如土壤类型和气候条件。
并非所有沙子都是黄色的。在自然界中很难有非常纯净的二氧化硅，多少都会含有杂质，与其他矿物共同构成了岩石，这些矿物因本身的性质会导致二氧化硅的颜色发生变化。比如红色的沙滩。
石英晶体是结晶的二氧化硅，在珠宝界石英有个响亮的名字叫水晶，水晶可不止有无色透明的，不纯净的水晶会出现其他颜色，像紫晶、粉晶等等。
by Serendipity
Q.E.D.

Q5

为什么老式打水的井要先倒点水再打水？

by 匿名

答：
小编小时候也一直觉得老式压水机非常神奇，倒一瓢“引水”进去，然后开始上下压动手柄，如此呼呼几下，这瓢水就引着躲起来的水哗哗流回来了，而且水好像取之不尽一样。用完后还要在瓢里留下一瓢水，方便下次摇水。现在小编知道其实老式压水机的结构非常简单，主要利用了大气压强和杠杆原理。
压水机的工作原理如上图所示。压水机下方通过管道连接着地下水，L1，L2是两个单向阀，两个单向阀都只能向上打开，下方单向阀L2固定，上方单向阀L1在活塞上，随活塞一起上下运动。向下压手柄时，活塞向上，L1关闭，体积增大腔室内的压强减小，外界的大气压强把水通过L2压入空腔。向上提手柄时，L2关闭L1打开，水从L1流出。重复这个过程，水就源源不断地被压上来了。并且手柄利用了杠杆原理，动力臂长而阻力臂短，可以让压水更加省力。
由于活塞和单向阀密封不是很好，在提水时可能会向下漏气，先加一些“引水”，可以让橡胶活塞和管壁贴合得更好，让单向阀上的胶圈不会漏气，加上水后密封效果提高。但实际上不加引水也可以压上水来，只不过需要的时间和用的力气会更多一些（这一点我实际尝试过）。虽然老一辈人说不上来这具体是什么原理，但是长久以来都知道先加“引水”会更好压水，这也是劳动人民生活中智慧的一种体现吧。
by Childe
Q.E.D.

Q6

为什么电子层的命名是从K开始而不是从A开始？

by y q c

答：
这是一个历史问题。
在了解原子结构之前，人们已经研究了原子光谱。重金属元素靶在受到高能电子轰击时会放出X射线（比如现代的物理实验室中使用的X射线典型参数是40kV加速电压、40mA电子束流强，Cu靶或Mo靶），随着电子束能量的变化，同种元素的靶可以产生多种不同频率的特征X射线。最开始人们把这些X射线按波长从短到长依次命名为A、B、C线……但是后来人们意识到，可能还有能量更高（也就是波长更短）的射线尚未被发现，于是把A、B、C改成了K、L、M，而将A~J空出。注意，直到这时我们还在聊原子光谱，并没有牵涉电子壳层。
几十年后，人们了解了原子的内部结构，也理解了X射线特征谱线本质是外来电子将内层电子激发后，原子的外层电子向内层空穴跃迁，同时以光子形式释放能量。而K、L、M线分别是原子外层电子向最内层、次内层、第三内层的空穴跃迁时释放出的，因此就把原子从内到外的第一、二、三层电子分别叫做K层、L层和M层了。
当然，K系X射线还可以细分成Kα、Kβ等，但这与我们的故事就无关了
by 藏痴
Q.E.D.

Q7

影响物质比热容的因素是什么？为什么水的比热容大？

by Schrieffer

答：
物质的内能包括组成物质的粒子(可以包括分子、离子等等）的动能和来自于这些粒子相互作用产生的势能，比热容是单位质量物质提升一度所需要的能量，而温度又反映了粒子的平均动能，因此影响物质比热容的因素一方面来自物质内能中势能的大小，即温度提高一度，需要有多少能量分给势能；另一方面则是分子的动能来自多少自由度，根据能量均分定理，在温度T下每个自由度都占1/2kT的能量（k是玻尔兹曼因子），譬如对于单原子分子在三维空间只有三个平动自由度，而双原子分子还有两个转动自由度（此时不考虑相对运动），因此双原子分子的定容比热容比单原子分子的定容比热容大约就是5：3。需要补充说明的是上述理论并没有考虑电子比热的贡献，在很多材料，譬如金属中，还需考虑电子比热的影响。
在回答第二个问题之前首先需要说明的是人们对于液体的研究相比于固体和气体仍处在非常初级的阶段，对于水这样复杂的液体更是如此。主流的观点认为是液体水中氢键的存在导致了水的比热容较大。氢键是一种强度介于共价键和范德瓦尔斯相互作用之间的键，在水中连接不同分子的氧原子和氢原子，在液体水温度升高的过程中，相当部分的能量用来使氢键断裂，换言之，用于增加水分子之间的势能，导致水的比热容较大。
参考资料：
汪志诚.热力学·统计物理[M].高等教育出版社,2019.
C.基秦尔.固体物理导论[M].科学出版社,1979.
Olovsson,Ivar.Wonders of Water (The Hydrogen Bond in Action) || Physical Properties of Water and Ice; Significance in Nature[J]. 2017, 10.1142/10684:53-62.
by 前进四
Q.E.D.

Q8

毛衣洗后会缩水，为什么羊身上的羊毛在淋过雨后不会收缩呢？

by 冰冻的罗非鱼

答：
毛衣上用的羊毛本质上是一种羊毛纤维。羊毛纤维的结构比较特别，其外层被一层层方向一致的鳞片包围。这些鳞片的排列方式赋予了羊毛纤维一种单向运动的能力，可以说是自然界的“棘轮”。由于这种结构，羊毛在单一方向上滑动起来是相对顺畅的。
棘轮示意图
然而，当我们将羊毛衫放入洗衣机中，强大的机械力量使得羊毛纤维在滚筒的翻滚和水流的冲击下互相摩擦。在这种情况下，纤维间的鳞片会因摩擦而相互勾结，纤维变得紧密交缠，最终导致羊毛衫的缩水现象。
羊毛在洗衣机中相互纠缠
而对于淋雨的绵羊来说，虽然雨水会使羊毛纤维膨胀、鳞片变软，但羊身上的羊毛并未受到足够的力量作用，也就是说，雨水下落的力度远远不足以令羊毛纤维间的鳞片发生强烈的摩擦和交缠。即便绵羊在雨中被淋湿，羊毛也不会因此而收缩。
总的来说，羊毛在羊身上和被加工成毛衣后的性质是不同的。洗涤和烘干毛衣时应遵循正确的护理说明，使用冷水和温和的程序，并在低温下烘干或自然晾干，以避免缩水。
参考资料：
Why Don’t Sheep Shrink In The Rain?
by 鱼非我
Q.E.D.