中国科普博览

作者：罗会仟中国科学院物理研究所

闪电之美

远古时代的闪电

从远古时代开始，地球上就处处电闪雷鸣，显示大自然的巨大力量。尽管闪电引起的“上帝之火”烤熟了野兽，这让人类学会用火告别茹毛饮血凄寒长夜的苦难，但人类对闪电却总是充满畏惧的。于是，古希腊的神话里，有了手持着电锤的宙斯，对谁不满意就电他一电以显示他至高无上的神权，借着电的威风可以肆意蹂躏三界美女生下无数神子神孙。中国古代神话里，雷和电是两权分离的状态：雷公和电母，或许就是避免雷霆之怒和电闪之凶同时发作无法遏制吧。雷公嘴雷公脸都是吓死人不偿命的丑，但殊不知，电母娘娘却是一个爱美之人。不知道您在电闪雷鸣之夜注意到没有，电母的每次出场，几乎都是带妆上阵的，而且是彩妆！

电母、雷公和宙斯

要见识电母的彩妆，首先我们要搞清楚闪电是什么。面对闪电如此凶悍无比的东西，人们都是躲的远远的，以免五雷轰顶之灾。唯独充满好奇心的物理学家不怕危险，这不1752年富兰克林就决定“钓”闪电回来研究研究。他的诱饵是一个风筝，骨架是用铜线做的，引线上面挂一串金属钥匙用于把电导出以收集起来。雷雨淋湿了风筝线，一阵霹雳，闪电就顺着丝线导入到了他们的简易电收集器里。富兰克林欣喜地发现，原来闪电就是——电！这不废话嘛？可事实上在那个时代，人们对于摩擦起电的电已经有所了解，但却没人相信闪电也是电，或者没人想象到原来电的威力是如此之大的。富兰克林的实验证明，闪电和摩擦起电的电是一种东西造成的，这就是我们今天所认识的电荷。普罗米修斯偷来天火给人类温暖，而富兰克林则揭示了闪电本质让人们意识到电的巨大能量和潜在应用前景。后来通过一系列优秀的物理学家，诸如伏打、安培、法拉第、特斯拉、库仑、麦克斯韦、汤普森等人的不懈努力，人们对电的认识不断加深。

富兰克林“钓”闪电

如今人们早已清楚地认识到，原来电就是电荷的移动造成的结果：电荷在电场里的定向运动形成了电流，而电流通过媒介时候通常会发光发热，形成了人们通俗意义上感觉到的“电”。电荷之所以会运动，根本原因还在于电荷之间的相互作用，即同种电荷相互排斥、异种电荷相互吸引。“荷”这个概念在现代物理学里已经有更为清晰的数学定义，在此处就不做晦涩的解释了。同性相斥、异性相吸，类似于伏羲神农的太极八卦里的阴阳调和思想，可见中国人哲学开发之早、境界之高！说到此，您应该很清楚地知道，其实“闪电”就是大气中的电流。当云层中的电荷积累到一定程度的时候，它和地面之间就形成了一个强大的电场，借助潮湿的空气而在瞬间剧烈放电，通过大气传导到了地面上，形成了闪电奇观。
闪电的魅力不仅在于它拥有巨大的能量——可以瞬间烧焦或者摧毁一些高耸的物体，而且还能发出剧烈的光芒。最有趣的是，这些光芒颜色和形状还各有不同——这就是电母的彩妆（见下图）。最为常见的闪电是白色的（或许是电母的素颜），也有红色、绿色和紫色的。1974年6月23日，前苏联天文学家契尔诺夫还曾经在扎巴洛日城看见一次“黑色闪电”，即不发光的闪电！难道这就是穿着隐身衣的电母化装舞会？闪电的形状，？大部分都是树枝状的，也有珍珠状和火箭状的，最为厉害的是球形闪电，破坏力极强。

电母的各色彩妆

形成多姿多彩的闪电的原因比较复杂。电流是电场中运动着的大量电荷，那么势必带着一定的能量。当电荷在媒介中运动时，会受到各种各样的阻碍——杂质、缺陷、热运动的粒子等各种散射中心会影响到电子的运动状态，这就造成了电阻。电子在散射的过程中，即把能量传递给了其他粒子，使得物体温度升高也即发热，这就是电流的热效应起源。造成电流的电场分布情况就决定了电流分布情况（严格来说还有磁场的影响），电流朝不同的方向电离并击穿空气，形成了多支分叉的闪电。至于闪电的颜色起，如果您还记得[水煮物理](12) 好“色”之徒一节的话，那么您就知道光的颜色其实代表着它的波长，如果都是在真空中传播的话，那不同颜色的光其实就是它们光子的振动频率不同。换句话而言，不同颜色的光实际上就是不同能量的光！空气中实际上存在各种各样的粒子或者气体分子，当闪电把巨大的能量释放出来的时候，电荷与这些粒子的剧烈碰撞将使得能量发生转移，而粒子回到低能量的稳定状态时就必须释放一定能量的光子出来。这些不同能量的光子聚集在一起，就形成了不同颜色的闪电光芒。因为大气层底层的气体基本上是混合均匀的，所以闪电发出的光大部分都是白光——混有各种能量光子在内；而紫光则是高能闪电电离空气的结果，反之低能端就是红光。实际上，不同的气体被电离后放电，形成光的颜色是不一样的。如 He气为粉红、 Ne气为红、Ar气为紫蓝、Kr气为黄绿色、Xe气为白，这是因为它们所能达到的能量不一样，从而放出的光子能量也有所不同。我们还要注意的是，由于闪电在瞬间的剧烈高温也会使得某些气体形成一些化学反应，生成有颜色的气体，如氮氧化物之类。至于黑色闪电，有人猜测可能是分子气凝胶聚集物电离产生出来的，这类闪电极其容易形成球形，危险性非常大。这就是闪电颜色的秘密，或者换句话说，电母是啥脸色，还得看她脾气（能量）到底有多大！

日光灯、荧光灯和霓虹灯

气体放电现象在我们的日常生活并不陌生，抬头看看房顶的荧光灯管就是气体放电的典型应用。通过两端的电极把灯管里的气体电离，高速的气体离子撞击到涂有荧光粉的管壁而发出荧光。而我们看到五彩缤纷的霓虹灯，就是采用气体放电原理。只要灯管里充不同的气体，就可以得到各种不同颜色的光源。人们常给灯管充卤素气体做成卤素灯，这样不仅可以保护灯丝大大延长灯泡寿命，而且可以方便地调节色温，如路灯就以穿透力最强和人眼感受最舒适的黄色为主。我们通常在用电时候发生短路或者其他情况出现电火花或电弧也是气体放电现象，而同时散发出了一些气味则更多是生成的臭氧或者氮氧化物造成的。

高压放电——闪电的现实模拟

通过高压放电可以很好地模拟闪电，一块大金属平板可以看成是地面，而一个聚集大量电荷的金属球就可以看成是云朵。当电荷积累到一定程度，就可以把空气击穿，形成花枝招展的闪电。1780年，意大利的伽伐尼发现通电可以使蛙腿筋肉收缩，说明生物对电的感觉是异常敏锐的。现在科学早已证明，生物神经之间的信号传递主要是生物电，而外界电流对生物电造成的紊乱有可能破坏生物系统的正常运转甚至使其死亡。怪不得人们对相撞出火花的情人之间描述为“放电”，对大眼睛都叫做“电眼”呢！这一“电”，真是可以寻死觅活了……

用我的电眼电死你！

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[水煮物理]之：电母的彩妆

罗会仟