问题

用钳子夹冰糖为什么会发光?

回答
用钳子夹冰糖,然后让它发光? 这可真是一个奇思妙想!不过,如果你观察仔细,并且在特定条件下操作,你确实可能会看到一些意想不到的光芒出现。这并不是因为冰糖本身有什么魔力,而是涉及到一些有趣的物理现象,就像我们小时候玩过的那些“小把戏”一样。

首先,我们要明白,冰糖之所以能“发光”,并不是那种我们点灯泡时看到的持续稳定的光,更像是一种短暂的、微弱的闪烁。这种现象通常发生在“摩擦发光”的情况下。

想象一下,当你用金属钳子去夹住那些棱角分明的冰糖块时,发生了什么?

1. 摩擦产生静电: 金属钳子和冰糖表面并不是绝对光滑的。当你用力去夹、去移动、去挤压的时候,这两种材料的表面就会发生剧烈的摩擦。在摩擦的过程中,电子会在两种材料之间转移。通常情况下,金属钳子的材料(比如不锈钢)的电子会更容易转移到冰糖的表面,或者反之,具体取决于材料的性质。这种电子的转移,就是产生了静电荷。

2. 电荷的积累与放电: 随着你不断地夹、移动、摩擦,电荷会在冰糖的表面或者钳子的夹持点积累起来。就像你把气球在头发上摩擦一样,会有静电吸附。当这些电荷积累到一定程度,变得足够“密集”时,它们会寻找一个释放的途径。

3. 空气的电离与发光: 当电荷之间的电势差足够大,足以克服空气分子的束缚时,就会发生“放电”现象。空气在强大的电场作用下,会被电离,也就是空气中的分子会失去或获得电子,变成带电的离子。这些带电的离子在运动过程中会碰撞到其他的空气分子,传递能量,使得这些空气分子被激发到更高的能级。当这些被激发的分子回到原来的低能级时,它们会以光子的形式释放出能量,这就是我们看到的“光”。

你可以想象成,你把很多很多的静电“打包”成一小团,然后它在空气中“炸开”,释放出一点点微弱的光。这种光通常是蓝色或紫色的,因为空气中的氮气和氧气在被电离后,重新结合时会发出特定波长的光。

为什么你可能没见过或者觉得效果不明显?

环境湿度: 静电的产生和积累很大程度上受环境湿度的影响。在干燥的环境下,静电更容易产生和维持,所以发光现象也更容易观察到。如果空气很潮湿,水分会导电,静电就会很快被“稀释”掉,不容易积累到足够大的电荷量来产生可见的放电。
摩擦的剧烈程度和持续时间: 仅仅是轻轻地夹一下,可能不足以产生足够的摩擦和电荷积累。你需要更用力地、更频繁地去摩擦,让电荷有足够的时间和空间积累起来。
冰糖的表面状态: 冰糖表面的光滑程度、是否粘有水分或其他杂质,都会影响摩擦的效果。粗糙、干燥的表面更容易产生静电。
光线条件: 这种发光通常非常微弱,所以在比较昏暗的环境下才更容易被观察到。在明亮的房间里,这点微弱的光芒很容易被环境光所掩盖。
钳子材质: 不同材质的钳子和冰糖摩擦产生的静电效果会有差异。通常,绝缘性好的材料和导电性好的材料之间的摩擦,更容易产生明显的静电。

所以,如果你想看到这个效果,可以尝试在干燥的夜晚,在一个比较昏暗的房间里,找一块干燥的、棱角分明的冰糖,用金属钳子用力地、快速地反复夹动它。你可能会在夹缝处,看到一闪而过的微弱光芒,那就是静电放电的表现。

这就像我们点燃一根火柴,它会瞬间燃烧发光,但火柴头上的化学反应结束后,光也就消失了。摩擦产生的静电放电也是类似的道理,它是瞬间完成的能量释放,所以才会是那种一闪而过的感觉。

总而言之,用钳子夹冰糖发光,是一种由摩擦产生的静电积累,进而导致空气电离放电的物理现象。它需要一定的条件配合才能观察到,但一旦发生,确实是挺有意思的一幕!

网友意见

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  这种发光的现象被称为摩擦荧光。

  许多材料都会有摩擦荧光现象,但是成因各不相同。冰糖的摩擦荧光现象源于它的晶体具有一定的不对称性。这样的晶体被破坏时,不会有天然的一致理想破碎面。当晶体面破碎时,崎岖不平的界面上破碎的化学键会比理想面更多,更容易带上正负电极性。带极性的晶体层暴露在表面,需要回归到电中性,于是敲碎晶体所用的能量之中的一部分就这样蓄积成了电势能。当然,这个状态不会持续很久。异性电荷会迅速被吸引到一起,并把能量释放出来。和闪电一样,释放出的电势激发了空气中的氮气并放出你所看到的蓝紫色光。

转自微信公众号“酷炫科学”:mp.weixin.qq.com/s/vMq_

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冰糖的摩擦荧光确有其事。想见证奇迹的童鞋可以做一个小实验:找来一个透明的内部干燥(一定要干燥,越干燥现象越明显)的矿泉水瓶,用其四分之一的空间装上大块冰糖。在一个月黑风高的夜晚,拉上窗帘,关上灯,让室内伸手不见五指,然后迅速地摇晃塑料瓶,你就可以看到瓶中的冰糖一下下地发着蓝紫色的闪光。摇得越快,现象越明显!

你可能不知道,摩擦荧光(Triboluminescece)的研究历史已经有几百年了,早在17世纪就有人发现摩擦糖块会发出亮光。其机理在Halliday的《Fundamentals of Physics》里面有所叙述。由于冰糖晶体的非对称性,冰糖在断裂过程中断面会带上正负电荷,相当于把震动摩擦的机械能转化为了电势能。而电荷中和的放电过程激发了空气中的氮分子,氮分子退激发将能量以荧光形式放出。相似机理引起摩擦发光的晶体还有LiF、NaCl、SiC等。

虽然多种晶体都有相似的发光现象,但是背后蕴含的机理问题有很多。比如,晶体的压电效应、扭曲和位错都能引起发光;还有些晶体不像冰糖这样靠激发氮分子来发光,而是由晶体本身被激发所致。除此之外,摩擦荧光也不仅限于非对称晶体,在某些对称晶体上也能观察到该现象。这些问题都有待人们去研究。这么看来,一个不起眼的小现象说不定蕴含着很多大学问呢!

BY 中科院物理所 问答专栏

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啊,这个问题大物课上老师说过,当时觉得特别有意思就记下来了。

在暗室里击碎薄荷糖会看到蓝光。看着很神奇,但是实际上,当物体破碎时都会发光,这就是所谓的摩擦发光,triboluminescence

你可以试试,把硬糖放在嘴里咬碎也会发出光,但是因为非常微弱,一般都看不到。当糖果碎裂时,裂缝处的正负电荷发生分离,两侧分别带上了正电荷和负电荷。正负电荷相互吸引,一些电荷又随即在裂缝处复合,从而发光。同时,裂缝一侧的电荷受到另一侧吸引而向另一侧运动的过程中,会与空气中的分子(例如氮分子)碰撞,使这些分子获得能量,处于激发态,然后向低能态跃迁的时候会发出不可见的紫外光,而有些硬糖含有一种叫鹿蹄草的香料(好像是这个)。它们很容易吸收激发态的氮发出的紫外光,然后发出波长较长的可见光(多为蓝光)。这就是为什么咬碎硬糖有可能会看到蓝色的光。

在晚上,你找一捆黄色胶带或黑色胶带(不要透明胶带),快速撕开,也可以看到光。还有研究发现,在真空中快速撕开透明胶带,也会发出x射线。这是因为胶带的粘性其实一种静电力,撕开的两面上分别带有正电荷和负电荷,光滑一面的负电荷会向粘性一面的正电荷移动,撞击在上面,发出x射线(可以给手指拍片)。有兴趣的可以去看看nature上发的文章

Nature 2008(455):1089-1092

说的就是这个。

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