荧光材料和隐形墨水：魔鬼物理学2中的惊喜展现

2023-11-17 理论教育版权反馈

【摘要】：丹特夫妇则在一艘12.19米长的帆船上度过了几年时光，他们沿着美国东海岸航行，白天在加勒比海垂钓和寻宝，晚上创作通俗冒险故事。1934年，他使用了一种雷达，远早于现实世界的雷达在第二次世界大战中的首次亮相。（据丹特所述，1943年的萨维奇小说中关于雷达的注释，在刊物付梓前被军方责令更换成另一种装置。此外，萨维奇医生还有一项发明——隐形书写，这项发明背后的量子力学原理与激光相同。

1933年，纽约市内耸立着许多摩天大楼，但其中只有一幢有86层高。在现实世界中，帝国大厦的第86层被专门用作观光层；但在通俗科幻杂志描绘的世界里，帝国大厦的86层被租给了一个人，他把那里当作他的私人住宅，并配有一个馆藏丰富的图书馆和先进的化学、医学以及电子实验室。此人文武双全，经常与他的5位助手一起进行全球探险活动，这5名助手都是来自不同领域的专家，分别是化学、法律、电子科学、工程学和考古学。这支探险队的领袖并不满足于单纯依赖他的卓越智力和强健体魄，他也使用了许多看似不可思议的发明和小型装置。若干年后，现实世界的科学家和工程师掌握了我在这本书中讲述的量子力学原理，并设法取得和通俗科幻杂志中最伟大的英雄之一——克拉克·萨维奇相似的成就，使得小说中的许多非比寻常的装置出现在现实世界中。克拉克·萨维奇的渊博学识足以让他拥有多个博士头衔，不过，由于他在约翰·霍普金斯大学取得了硕士学位，又花了几年时间在维也纳研究脑外科与神经学，所以他的朋友和大众都称他为“医生”。

萨维奇医生的探险故事被刊载在以他的名字命名的通俗科幻杂志上，他的第一个故事《青铜人》（The Man of Bronze）发表于1933年3月，作者是莱斯特·丹特。也是在这一年，《萨维奇医生》（Doc Savage）成为美国报刊亭中最畅销的通俗科幻杂志之一。在接下来的16年里，丹特又以近乎每个月一部的速度创作了160多部有关萨维奇医生的完整小说。凭着1个单词1美分的写作收入，丹特夫妇过着探险和旅行的生活，这也是他创作小说的灵感源泉。萨维奇医生和他的团队经常驾驶游艇或潜艇出海远航，与现代海盗作战，或者探索恐龙时代的岛屿。丹特夫妇则在一艘12.19米长的帆船上度过了几年时光，他们沿着美国东海岸航行，白天在加勒比海垂钓和寻宝，晚上创作通俗冒险故事。丹特拥有飞行员执照，会发电报，喜好登山，曾在死亡谷中勘探黄金，通晓各种冷门知识，并被选为探险家俱乐部的会员。

作为丹特笔下最著名的文学人物，萨维奇医生成为后来一系列科幻人物的原型。比如，超人和蝙蝠侠（萨维奇医生来到北极的避难所中搞新发明，那里被他称为“孤独堡垒”。而且，他将许多打击犯罪的小装置集中在一件实用的背心上），詹姆斯·邦德（他的领带和夹克纽扣中藏有铝热剂，他的车能够制造烟雾来遮挡追踪者的视线），漫威卡通漫画中的“神奇四侠”（他们也居住在一座摩天大楼中，萨维奇医生的两名助理之间的关系预示着“石头人”和“霹雳火”这两个角色之间的关系），还有《星际迷航》中的斯波克先生（萨维奇医生通过扼住敌人颈部的某处神经来使他们瘫痪）。

萨维奇医生发明的小型装置也领先于他的时代。1934年，他使用了一种雷达，远早于现实世界的雷达在第二次世界大战中的首次亮相。（据丹特所述，1943年的萨维奇小说中关于雷达的注释，在刊物付梓前被军方责令更换成另一种装置。）当飞行员被迫在大洋上将自己弹射出机舱时，萨维奇医生使用鲨鱼驱逐器和有色染料来定位飞行员的位置，这比美国海军采用的类似发明早了10年。萨维奇也发明了一个小型追踪装置，当它被安在汽车上时，会发出无线电信号，可实现汽车的远程定位。此外，萨维奇医生还有一项发明——隐形书写，这项发明背后的量子力学原理与激光相同。

在1933年的《青铜人》故事中，萨维奇和他的探险队为了得到他刚刚辞世的父亲的消息，搜索了他们位于帝国大厦86层的住所。萨维奇知道，他的父亲经常会以一种隐形书写的方式给他留下信件，于是他拿出了一个类似幻灯的小金属盒子。萨维奇向团队中的电子专家朗·汤姆展示了这个盒子，并借机对这位队友进行了测试，问他是否认识这个装置。“当然……这是一个能产生紫外线的提灯，或者我们通常所说的黑灯。它发出的射线是人眼看不见的，因为……它们的波长小于可见光。”朗·汤姆随后指出，尽管我们无法察觉，但很多寻常物质，比如奎宁和凡士林，在被紫外线照射时会发出荧光。他们将提灯发出的紫外光照向了萨维奇办公室的一扇窗户，果然有一条来自萨维奇父亲的留言显现出来，每个字母都闪着蓝光。这条留言将他们引向一处藏有一些重要文件的隐秘地点，在这些文件的指引下，他们踏上了通往虚构的中美洲国家伊达尔戈的探险之旅。萨维奇与他的父亲，以及在后来的通俗冒险故事中与其他队友通过隐形书写交流的方式，依赖于量子能级间的不同跃迁速率。

我们已经知道，被束缚在原子中的电子有特定的能级。这种“不连续能级”带来的结果是，只有被允许的能量态之间发生电子跃迁时，原子才能吸收或损失能量（我们将忽略原子核内部质子和中子的跃迁，因为这些跃迁的能量规模在伽马射线级别，我们现在感兴趣的是电磁波光谱中可见光的跃迁）。只在原子吸收或辐射光子以及与另一个电子或原子发生碰撞的过程中产生的能量变化，恰好等于两个能级间的能量差时，才会引起电子跃迁。

在前文中提到的礼堂类比中，成排的座椅代表被允许的能量级，学生可以从位于礼堂前部的座位向后移动到礼堂后部的空座位上。然而，学生不能站在两排座位之间，而且只在他们吸收的能量恰好可以让他们从一排移动到另一排时，才能换座位（前提是他们的目标座位是空的）。同样，原子必须释放出一个能量恰好等于其起始和终止能级间的能量差的光子，才能从高能量态回到基态。也就是说，只有满足能量守恒定律的电子才被允许发生跃迁。这解释了当把一个原子放到高温环境中时，为什么我们只能观察到数量有限的光谱线（第5章图5-3）。不同的元素都具有不同的被允许的量子能级，因而能级间的能量差以及电子在不同能级之间跃迁时发出的光的频率也不同。

仅凭一个电子可以在两个能级之间跃迁这一事实，并不能知道电子跃迁速度的快慢。对于一组原子来说，跃迁概率较大的电子所对应的光线会更明亮。有一些光谱线虽然也会呈现出来，但却很黯淡，这是因为无论何时，这些谱线对应的电子跃迁的发生概率都很低。量子理论的一个最伟大的成功之处在于，它确实可以对电子跃迁速率（每秒钟内原子中一个处于激发态的电子降至较低能量态，并在这个过程中释放出一个光子的概率）进行预测。因此，量子理论不仅可以正确地预测出一个给定的原子能观察到什么样的波长，还可以预测出光谱线的明亮程度。

是什么决定了电子跃迁速率呢？这一个问题相当复杂，取决于起始状态和最终状态的波函数细节。重点在于，量子力学可以对如下事实进行解释：第一，原子中的电子只能有特定能量；第二，只有被允许的能量态之间的电子跃迁才有可能发生；第三，每秒钟内一个特定电子发生跃迁的概率。也就是说，量子理论可以解释为什么我们只能观察到原子的离散而非连续的发光光谱，也能预测出光谱线的波长和强度，这些都与实验结果十分吻合。现在，既然我们对原子如何与光相互作用已经有了足够的了解，就可以解释20世纪最重要发明中的两项——激光和荧光人偶了！

我们先来看荧光材料。固体中的每一个原子都有最高可占据能级（如图12-3所示），当1024个这样的原子聚集在一起时，所有这些座位就拓展成量子态的观众席，如图14-1所示。根据泡利不相容原理，每个座位实际上都是一个可以容纳两个具有相反内禀角动量值（分别是+/2和-/2）的电子的双人座。因此，基态观众席内的1024个座位可以容纳2×1024个电子。

如果固体中的原子通过把它们的电子放入盒子来形成化学键，就像钻石中的碳—碳键那样（图12-4），那么观众席上的每个“双人座”中都会有两个电子，礼堂座无虚席［图14-1（a）］。电子将不得不跃迁至更高的能量态，于是，这些较高的能量态也被拓展为观众席的一部分。那些形成像钻石一样的固体的原子，可以被视为坐满电子的乐池，以及与乐池座位数相同但完全空置的更高能级的包厢。当固体在外部电压的作用下形成电流时，电子会获得动能，但必须以存在电子可用的且未被占据的更高能量态为前提。因此，仅有那些在热能或光照的作用下上升到包厢座位的电子才能够参与电流的形成。钻石是电的绝缘体，因为在通常情况下，包厢中的电子太少，无法提供强电流。(www.chuimin.cn)

图14-1　固体中最高可占据能级的量子态能带和第二高可占据能级的量子态能带的示意图。在绝缘体中（图a），低能带就像已坐满乐手的乐池，它与处于空置状态的能带（包厢）被一个过道隔开。在金属中（图b），低能带的乐池只有一半座位被占据，电子很容易跃迁至空座位

相比较而言，金属中的基态电子被局限在“动态空间”中，而且能容纳2×1024个电子的乐池仅坐了1024个电子。因此，乐池内还有许多空座位，如图14-1所示，当电子携带电流时，很容易从一个座位移动至另一个座位。

为了制造一个非金属“荧光”体，我们需要一个充满电子的乐池，一个空的包厢区域和一组中间排座位［同样未被占据且恰好位于包厢区域下方（如图14-2所示）］。为了便于讨论，我们假设让一个电子从乐池跃迁至包厢座位需要使用蓝光，而使用较低能量的绿光可以使电子跃迁至中间排座位。包厢和中间排之间的过道属于电磁光谱的红外区域，中间排座位可能来自固体中的另一种不同元素或化学物质。

图14-2　由满员的低能级乐池、空的高能级包厢和能级介于前两者之间的中间排组成的荧光体的能带结构示意图。当固体受到白光照射时，电子很容易从乐池跃迁至包厢，当电子回到较低能级时，就会发射光子。在个别情况下，电子最终会落在中间排，从这里回到乐池的跃迁速率较低。当白光照射停止时，这些处于中间排的电子最终会回到乐池，并在这个过程中发射很少量的较低能量的光子。所以，荧光材料能在黑暗中发光

现在假设电子从乐池到包厢的跃迁速率很高。这意味着让电子从乐池跃迁至包厢很容易，之后电子又会很快回归乐池。中间排则不同，它的电子跃迁概率非常低，因此我们很难让一个电子从乐池跃迁至中间排。一旦处于中间排，电子回到最低能态的概率就会非常低。因此，这些电子在回归最低能态之前将在这种状态下停留很长一段时间。

现在，如果我们用白光照射这种固体会发生什么呢？白光是由光强相同的所有颜色的可见光组成的。由于量子化能级的不连续性，原子将忽略蓝色、绿色以外的其他颜色的光。蓝光很容易被吸收，因为从乐池到包厢的跃迁速率很高。当然，包厢中的电子回到乐池的概率也很高，并在这个过程中释放出蓝光光子［图14-2（a）］。在绝大多数情况下，这个循环会持续进行：乐池吸收蓝光，让电子跃迁至包厢；电子很快又从包厢回到乐池，并发射出另一个蓝光光子。在个别情况下，如果我们重复这一过程的次数足够多，中间排的一个座位就会被电子占据，这个电子或者是从乐池直接跃迁至这一能级的（尽管概率很低，但如果进行足够多的尝试，这种情况终究会发生），或者是没从包厢回到乐池，而是回到中间排［图14-2（b）］。当电子从包厢回到中间排时，我们不会看到它发射的红外线，除非我们有对这部分光谱线敏感的特殊探测器。一旦来到中间排，电子就会停留在那里，直到一个红外光子将它激发到包厢（这不太可能，因为在我使用的白光中，需要用到的红外线部分的能量很少），或者电子回到乐池，并在此过程中发射出一个绿光光子（这有可能发生，但是电子跃迁概率较低）。

我们先用白光照射这个固体，蓝光被吸收后又被发射出来，最终固体中的电子会处于中间排，在乐池内留下空座。再将光源关闭，所有处于包厢的电子会迅速回到乐池，处于中间排的电子也会回到乐池［图14-2（c）］并发射出光子。所以，固体现在虽然处于一个完全黑暗的房间，但也会发光！之后，随着中间排电子数目的减少，固体发出的光越来越黯淡，直到它再一次受白光照射补充能量。许多妙不可言的玩具就是利用这种简单的量子力学原理制造出来的。

萨维奇医生的隐形书写必须使用一种“墨水”，在这种墨水中，乐池和包厢之间的过道处于光谱的远紫外区域，中间排和乐池之间的过道对应蓝光。萨维奇医生用黑灯发出紫外光让电子跃迁至包厢，随后又让中间排坐满电子。根据通俗冒险故事中的描述，蓝色字迹很快就消失了，我们假设电子在中间排停留的时间仅有几秒钟。在普朗克的太阳光谱中，紫外线的强度太弱，不足以为这些能量态充电，这就是为什么萨维奇医生需要使用黑灯。

包厢和中间排之间的过道，以及在黑暗中电子处于这些能量态的时间，取决于为了保持这种状态而在固体材料中添加的特定元素。为了让电子跃迁至这些能级，我们不需要使用紫外线或可见光，任何能让电子从乐池跃迁至包厢的能量来源都可以。

早在20世纪50年代，一些闹钟的指针上已经涂有镭元素，持续释放出的阿尔法粒子为保证荧光材料的包厢坐满电子提供了必需的能量，指针因此可以在黑暗中发光。当镭发射出一个阿尔法粒子之后，原子核转变为同样具有放射性的氡。于是，闹钟的荧光材料被有害性更低的物质取代。尽管如此，放射性材料具有以均匀的速度发射能量的性能，所以我们很难弃用它们。烟雾警报器使用一种放射性同位素来制造粒子束，当这束粒子探测到烟或霾时，就会触发警报。某些有夜光功能的手表，已经将外部能量源从镭替换为氚。嘉年华的餐盘也不再像20世纪30年代那样在鲜艳夺目的橙红色釉面上涂上铀的氧化物，这令大多数用餐者备感放心。

荧光材料和隐形墨水：魔鬼物理学2中的惊喜展现

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