为什么纸浸了油会变得透明？| No.410

Original Firons 中科院物理所

2024-08-25

油滴在作业本上的经历
绝对让人难以忘怀
出现的透明斑点非常扎眼
那么问题来了
油为什么可以让纸变透明？

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Q1 荧光棒为什么掰弯会发光？
Q2 为什么手机屏幕上有油的部分会出现彩色条纹？
Q3 用光学仪器测含糖量是利用了什么原理？
Q4 对于小学教室来说，自然光好于灯光吗？
Q5 为什么鞋子晒干后黄色集中在鞋子边缘？
Q6 为什么p轨道有三个电子的时候三个电子以自旋相同的方式填充在三个不同的分量？
Q7 不带电的中子是怎样用加速器加速的呢？
Q8 为什么纸浸了油会变得透明？

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Q1

荧光棒为什么掰弯会发光？

by 匿名

答：
荧光棒的发光原理很简单，就是电子吸收能量后进入激发态，随后向低能级跃迁释放出光子，从而发光的。只不过这种激发原子的能量来自荧光棒内部的化学物质发生的化学反应。
来看荧光棒的结构，它的最外层是塑料管，里面则藏着一层玻璃管夹层，夹层里面是过氧化氢溶液，塑料管和玻璃夹层之间装着的是草酸二苯酯和不同颜色的荧光染料。在使用之前，这两组成分是不会相遇的，当荧光棒被掰折时，玻璃管被弄断，过氧化氢溶液与草酸二苯酯相遇会发生化学反应，该过程中释放的能量就会传递给荧光染料。
整个反应过程如下：
过氧化氢+草酸二苯酯氧化→苯酚+过氧酸酯（不稳定）+能量
过氧酸酯→苯酚+环状过氧化合物+能量
环状过氧化合物→二氧化碳+能量
荧光染料吸收能量进入激发态，又因为激发态不稳定，所以受激电子回到基态，同时以光的形式释放出来能量，因为两个状态之间的能量处在可见光的范围，所以大家就看到荧光棒发光了。不同的颜色自然就是不同的荧光染料造成的啦。
参考文献：
荧光棒中的化学反应是如何发光的？
如何自制荧光棒？教你真正的化学发光术！
荧光棒发光的秘密[J].发明与创新(高中生),2023(05):49.
by 蓝多多
Q.E.D.

Q2

为什么手机屏幕上有油的部分会出现彩色条纹？是因为波的干涉吗？

by zsh

答：
在有油的部分上出现彩色条纹是因为薄膜干涉，当光入射到油膜时，它会分别从上表面和下表面反射出来，使得来自同一光源的两束光发生叠加，产生了干涉现象。它们的光程差为，是指油膜的折射率，是指油膜的厚度，对于不同波长的光来说，如果光程差等于波长的整数倍，就会发射干涉增强。如果是半波长的奇数倍，则是干涉相消。并且，手机屏幕的油膜厚度并不是均匀的，所以在自然光的照射下，就会出现彩色的干涉条纹。
还有！大家如果细心观察，还会发现肥皂泡也是可以看到彩色条纹的，它也是薄膜干涉的一种哦，因为泡泡在重力的作用下厚度不均匀，所以在自然光下，不同波长的光发生干涉相消与干涉增强，呈现彩色条纹。不知道大家有没有发现过捏。
by 蓝多多
Q.E.D.

Q3

用光学仪器(望远镜一样的东西)测含糖量是利用了什么原理？这种方法除了测含糖量，还能测定什么溶质的含量？

by 匿名

答：
糖度计
光学测糖含量实质上测的是溶液中分子的浓度。通常利用不同浓度的糖水折射率不同，使得光的出射路线不同显示不同的刻度。一般手持式的是没法分清糖水中的物质是什么。因此如果想要比较水果中糖分含量，只有同类水果比较才有意义。例如西瓜汁和橙汁颜色不同，果汁里面的成分不同，果汁中糖占果汁成分的比例不同，因此理论上没有比较的价值。从此看来，只要是同种溶质，无论这种溶质是什么，都可以利用浓度不同对光的折射不同的效果进行测量。如果是使用类似紫外分光光度计的设备，可以通过不同物质对光的吸收谱的不同进行定性。
紫外分光光度计
by opzk
Q.E.D.

Q4

请问，对于小学教室来说，自然光好于灯光吗？（孩子要从早八点待到晚六点，阳光会不断变化，但领导不让我们拉窗帘）？

by hay

答：
利用自然光照明其实是有弊端的，一来，阳光的变化的角度会变化，坐在教室左右两侧的同学看黑板时，可能会出现严重的反光，笔者读书时就深受其害。二来，因为教室是封闭的，仅仅透过窗子来实现自然光均匀照明是不可能的，往往是教室窗边过亮、墙角又相对昏暗，对学生的眼睛也存在一定坏处。三来就是紫外线，长时间接受日光照射容易晒伤皮肤。
教室中的灯光一般是LED灯，是通过半导体材料发的光，这个过程不产生紫外线，不会晒伤皮肤。而且可以作为辅助光源，对教室内部进行更好的照明。
因此比较建议在早上的时候采用自然光照明，中午的时候光线过于强烈，建议拉上窗帘采用室内光源。下午的阳光光强一般情况下也会变弱，但可以拉开窗帘然后辅助室内光源。不过具体情况具体分析嘛，直接询问学生是不是光线太弱或者刺眼，然后考虑是否拉上窗帘。
by 蓝多多
Q.E.D.

Q5

鞋子晾晒时，会出现氧化，进而有有色物质的产生。根据重力作用有色物质应该在下面，但是，为什么晒干后集中在鞋子边缘？是不是因为晾晒后期因为毛细作用，所以才会集中在鞋子边缘？

by 匿名

答：
笔者在之前系列曾经回答过鞋子发黄的原因，其实很好理解，也并不是什么毛细作用。大家在清洗鞋子时使用的多是肥皂或者洗衣粉这种碱性物质，刷鞋的过程很难完全清洗掉，所以水分蒸发之后就有碱性物质在阳光下发生化学变化。同时因为晾晒的时候阳光不均匀，鞋子凸面更容易晒干，水分集中的地方也容易变黄，类似于图上这种边缘位置。水分蒸发快碱性物质也容易富集，所以相较于其他位置就会发黄。
至于重力作用，鞋子的结构并不平整，这些碱性物质分子量又比水分子大，所以很难移动并集中在鞋子的下方，基本上都会随着水分的蒸发而留在表面上的。毛细现象指的是浸润液体在细管中上升，不浸润液体在细管内下降的现象。而鞋子并没有这种细管状结构，所以不是毛细作用。
by 蓝多多
Q.E.D.

Q6

为什么p轨道有三个电子的时候三个电子以自旋相同的方式填充在三个不同的分量？

by 08035

答：
根据洪特规则，原子核外电子的排布必先尽可能分占在同一电子亚层的各个轨道上，且自旋方向相同，使得原子能量最低。直观点的解释就是通过泡利不相容原理，自旋平行的两个电子倾向于互相远离，出现在同一位置的概率为0，空间波函数反对称。这样可以使他们之间的静电作用更小。
在一维无限深势阱中两个自旋平行的电子倾向于处于不同的轨道，图中颜色越亮代表着电子出现在该位置的概率越大，而中间从左下到右上的这一条斜线，代表着他们处于同一位置的概率为0，所以颜色为黑色。
by 蓝多多
Q.E.D.

Q7

不带电的中子是怎样用加速器加速的呢？

by 小雨

答：
中子因为没有电荷，不能像带电粒子那样通过电场或磁场直接加速，但科学家们已经找到间接加速中子的方法：
1.反应堆中子源：可以用高能质子束轰击重核靶，通过散裂反应产生高能中子。在此过程中质子在加速器中被加速到很高的能量，与重核靶撞击产生高能中子，进而实现中子的加速。例如，位于广东东莞的散裂中子源就是采用高能质子流轰击钨靶的方式产生高能中子的[1]。
2.加速器驱动中子源：首先由加速器加速氘离子，然后通过与锂或铍靶（轻靶）的核反应产生中子。这种方式已经被广泛研究用于治疗恶性肿瘤[2]。
参考文献：
中国散裂中子源
基于加速器7Li(p,n)反应的硼中子俘获治疗中子源的优化设计[J].核技术, 2013, 36(9):6.
by 鱼非我
Q.E.D.

Q8

为什么纸浸了油会变得透明？

by 囧菌噬菌体

答：
物体透明指的是能够透过物体看到其背后的图像，我们很容易联想到玻璃，它是一种均匀的介质。光线透过玻璃虽然会发生折射，但是光线的改变是统一的，等效于将光线整体平移，因此透过玻璃后光线携带的图像信息依然没有被改变。例如玻璃背后物体发出的光线经过玻璃后依然能够交汇于一点，最后被我们眼睛接收成像，因此我们可以清晰地看到原来的图像。
而对于纸张这种主要成分是纤维素和填料的材料，存在着很多被空气填充的空隙，由于空气和纤维素的折射率不同，因此纸张是不均匀的介质。当纸张背后的光线透过时，会被杂乱分布的、具有高折射率的纤维素朝着各个方向折射，从而改变携带物体图像特征光线的传播方向，所以我们看不到清晰的图像。而油的折射率（约1.4）比空气（1）大，更贴近纤维素的折射率（约1.5），纸浸了油时，纤维素间的空隙会被油填充，这样就创造了一个更加均匀的介质，从而减弱了对光传播方向的改变，所以我们可以看到一个比较清晰的图像。
参考文献：
Paper
by 小线
Q.E.D.