七色的閃電

從遠古時代開始，地球上就處處電閃雷鳴，顯示大自然的巨大力量。盡管閃電引起的“上帝之火”烤熟了野獸，讓人類學會用火從而告別茹毛飲血凄寒長夜的苦難，但人類對閃電卻總是充滿畏懼。于是古希臘神話里就有了手持電錘的宙斯，對誰不滿意就電他一電以顯示其至高無上的神權。或許是擔心雷霆之怒和閃電之兇同時發作無法遏制吧，在中國古代神話里，雷和電是兩權分離的狀態：“雷公”和“電母”，有趣的是，在民間傳說里，雷公總是一副兇神惡煞的樣子，而“電母”卻婀娜多姿。不知道您在電閃雷鳴之夜注意到沒有，“電母”的每次出場，幾乎都是帶妝上陣的，而且是彩妝!

要見識電母的彩妝，首先我們要搞清楚閃電是什么。面對如此兇悍無比的閃電，人們都是躲得遠遠的，以免五雷轟頂之災。唯獨充滿好奇心的物理學家不怕危險——1752年富蘭克林就決定“釣”閃電回來研究研究：他的誘餌是一個風箏，骨架是用銅線做的，引線上面掛一串金屬鑰匙用于把電導出以便收集。雷雨淋濕了風箏線，一陣霹靂，閃電就順著絲線導入到了他的簡易電收集器里。之后，富蘭克林欣喜地發現，原來閃電就是——電!這不廢話嘛?可事實上在那個時代，人們對于摩擦起電的電已經有所了解，但卻沒人相信閃電也是電，或者沒人想象到原來電的威力是如此之大。富蘭克林的實驗證明，閃電和摩擦起電的電是一種東西造成的，這就是我們今天所認識的電荷。普羅米修斯偷來天火給人類溫暖，而富蘭克林則揭示了閃電的本質，讓人們意識到電的巨大能量和潛在應用前景。后來通過一系列優秀物理學家，諸如伏特、安培、法拉第、特斯拉、庫侖等人的不懈努力，人們對電的認識不斷加深。

今天的人們已經清楚地懂得，原來電就是電荷的移動造成的結果：電荷在電場里的定向運動形成了電流，而電流通過媒介時通常會發光發熱，形成了人們通俗意義上感覺到的“電”。電荷之所以會運動，根本原因還在于電荷之間的相互作用，即同種電荷相互排斥、異種電荷相互吸引。“閃電”其實也就是大氣中的電流。當云層中的電荷積累到一定程度的時候，它和地面之間就形成了一個強大的電場，借助潮濕的空氣而在瞬間劇烈放電，通過大氣傳導到了地面上，形成了閃電奇觀。

閃電的魅力不僅在于它擁有巨大的能量——可以瞬間燒焦或者摧毀一些高聳的物體，而且還能發出劇烈的光芒。最有趣的是，這些光芒顏色和形狀還各有不同——這就是“電母”的彩妝。最為常見的閃電是白色的(或許是“電母”的素顏)，也有紅色、綠色和紫色的。1974年6月23日，前蘇聯天文學家契爾諾夫還曾經在扎巴洛日城看見一次“黑色閃電”，即不發光的閃電!難道這是穿著隱身衣的“電母”?閃電的形狀，大部分都是樹枝狀的，也有珍珠狀和火箭狀的，最為厲害的是球形閃電，破壞力極強。

形成多姿多彩的閃電的原因就比較復雜了。電流是電場中運動著的大量電荷，那么勢必帶著一定的能量。當電荷在媒介中運動時，會受到各種各樣的阻礙——雜質、缺陷、熱運動的粒子等各種散射中心都會影響到電子的運動狀態，這就造成了電阻。電子在散射的過程中，把能量傳遞給了其他粒子，使得物體溫度升高，這就是電流的熱效應起源。造成電流的電場分布情況決定了電流分布情況(嚴格來說還有磁場的影響)，電流朝不同的方向電離并擊穿空氣，形成了多支分叉的閃電。至于閃電不同的顏色，其實就是光的波長不同而已。如果都是在真空中傳播的話，那不同顏色的光其實就是它們光子的振動頻率不同。換句話而言，不同顏色的光實際上就是不同能量的光!空氣中實際上存在著各種各樣的粒子或者氣體分子，當閃電把巨大的能量釋放出來的時候，電荷與這些粒子的劇烈碰撞將使得能量發生轉移，而粒子回到低能量的穩定狀態時就必須釋放一定能量的光子出來。這些不同能量的光子聚集在一起，就形成了不同顏色的閃電光芒。因為大氣層底層的氣體基本上是混合均勻的，所以閃電發出的光大部分都是白光，其中混雜著各種能量光子；而紫光則是高能閃電電離空氣的結果，反之低能端就是紅光。實際上，不同的氣體被電離后放電，形成光的顏色是不一樣的。如氦氣為粉紅、氖氣為紅、氬氣為紫藍、氪氣為黃綠色、氡氣為白——因為它們所能達到的能量不一樣，從而放出的光子能量也有所不同。我們還要注意的是，閃電在瞬間的劇烈高溫也會使得某些氣體產生一些化學反應，生成有顏色的氣體，如氮氧化物之類。至于黑色閃電，有人猜測可能是分子氣凝膠聚集物電離產生出來的，這類閃電極其容易形成球形，危險性非常大。上述這些就是閃電顏色的秘密，或者通俗地說，“電母”是啥臉色(顏色)，還得看她“脾氣”(能量)到底有多大!

氣體放電現象在我們的日常生活中并不陌生，抬頭看看房頂的熒光燈管就是氣體放電的典型應用。通過兩端的電極把燈管里的氣體電離，高速的氣體離子撞擊到涂有熒光粉的管壁而發出熒光。而我們看到五彩繽紛的霓虹燈，就是采用氣體放電原理。只要燈管里充不同的氣體，就可以得到各種不同顏色的光源。人們常給燈管充鹵素氣體做成鹵素燈，這樣不僅可以保護燈絲大大延長燈泡壽命，而且可以方便地調節色溫，如路燈就以穿透力最強和人眼感受最舒適的黃色為主。我們通常在用電時發生短路或者其他情況如出現電火花也是氣體放電現象，而同時散發出的一些氣味則更多是生成的臭氧或者氮氧化物造成的。

通過高壓放電可以很好地模擬閃電，一塊大金屬平板可以看成是地面，而一個聚集大量電荷的金屬球就可以看成是云朵。當電荷積累到一定程度，就可以把空氣擊穿，形成“花枝招展”的閃電。(文章代碼：101613)

【責任編輯】李軍