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动物的眼睛在夜间发光,不是简单地反射夜间极其微弱的可见光,而是反射人眼不可见的红外线,在反射红外线时使其蓝移,变成可见光。如果眼睛内的液晶膜没有受到动物通过肌肉施加的压力,液晶膜表面就会带负电,从而使大量液晶分子维持在激发态或亚稳态。动物的眼睛不可能在夜间发出可见光。这样的可见光在夜晚非常微弱,但却有着与背景不同的奇怪颜色,所以呈现出各种颜色。
当一些动物在夜间活动时,它们的眼睛经常会发出荧光。比如猫的眼睛发绿光,牛的眼睛发蓝光,狼的眼睛发黄绿色光。按照常识,暗夜中照射在动物眼睛上的入射光强度是很弱的,这就导致反射光的强度应该更弱。如果人连入射光都看不到,那么通过动物的眼睛又怎么能看到反射光呢?入射光被动物眼睛反射后会变强吗?!更令人惊讶的是,有些动物的眼睛在晚上并不总是发光。只有当他们需要用眼睛搜索一个目标的时候,他们的眼睛才会突然闪起明亮的寒光。但是在白天,当外界的入射光增强时,动物的眼睛不再发光。怎么会这样?
为了回答以上问题,我们需要了解一下美国隐形战斗机使用的吸波涂层的基本工作原理,即可变光电效应阈值原理。先简单介绍一下可变光电效应阈值的原理。
实验表明,金属对雷达波(波长范围为毫米波-米波)有很强的反射能力。当雷达波撞击金属表面时,大部分会被反射回来,导致目标被雷达观察到。但当同样是电磁波的紫外线照射到金属上时,金属的反射系数会急剧下降,同时电子会从表面逸出。这种现象被称为光电效应。此外,光电效应的发生还与材料表面的形状有关。
隐身战机使用的吸波涂层分子基态处于深负能量级状态,无论表面分子如何排列,雷达波显然无法直接激发或电离。但是,如果通过电源或其他方式在吸收涂层表面携带一定量的负电荷,由于趋肤效应,这些负电荷会集中在吸收涂层表面。当雷达波撞击到带有多余负电荷并按一定规律排列的吸波涂层时,负电荷会克服空气等因素的势垒限制,从“基态”跃迁到“激发态”或自由态,即飞离吸波涂层表面。这个过程是通过吸收雷达波的能量,转化为电子的动能来实现的。
吸波涂层表面带有少量负电荷,吸波涂层表面分子的能级也会发生变化。众所周知,吸波涂层中分子的能级可以不受周围静电场或稳恒电场的影响,但对于吸波涂层最外层表面可以被雷达波照射到的原子,它们的能级会被表面多余的负电场电离而改变,维持在激发态或亚稳态。虽然雷达波的能量很弱,但它不能使基态附近分子的能级从一个稳态跃迁到另一个稳态。但如果吸波涂层在表面负电荷电场的电离下,保持在高能级的激发态,其光电效应的所谓光电阈值将大大降低,成为受吸波涂层表面电荷密度影响的可控物理量。通过改变雷达吸收涂层的表面电荷密度,光电阈值被控制在雷达波的频率上。在雷达波照射下,雷达吸波涂层表面按一定规律排列的分子会立即产生光电效应,随着雷达波能量向分子中的电子转移,雷达波的反射系数会急剧下降。
失去电子后,吸收涂层表面的分子会重新捕获电子,回到亚稳态或基态,发射出具有相应能量的光子。当大量分子受到雷达波照射时,会跳到更高能级的激发态或电离态,然后俘获电子,发射光子,但可能不只是回到原来的亚稳态,而是跳到包括基态在内的所有低能级。发射的光子能量会包括雷达波、原子热辐射、原子周围的负电荷等作用于原子的所有能量,所以这个光子的波长会和雷达波相差很大,比雷达吸波涂层表面的热辐射波长略短(蓝移很小)。
以上就是光电效应的可变阈值原理。作者认为,上述光电效应的可变阈值原理也可以用来解释为什么动物的眼睛在夜间能发出可见光。
众所周知,这看起来像一个漆黑的夜晚。事实上,它充满了看不见的红外线。然而,即使红外线被物体反射,它一般也不会变成可见光,除非反射的红外线发生蓝移。正常情况下,动物眼中的液晶膜分子处于基态,无论如何排列,受红外线照射的动物眼中的液晶膜都不会产生蓝移反射。所以动物的眼睛一般白天黑夜都不发光。
但是,如果某些动物可以通过肌肉对眼睛里的液晶膜施加压力,使其表面产生压电效应,那么眼睛里的液晶膜表面就会带有一定量的负电荷,这样大量的液晶分子就会被液晶膜表面额外的负电荷电场电离而改变,维持在激发态或亚稳态。同时,肌肉需要改变液晶膜表面的分子排列。在这种情况下,当外界的红外辐射作用于这些按照一定规律排列在激发态的液晶分子时,这些液晶分子会在更高的能级上跃迁到激发态或电离态,然后俘获电子,发射光子。由于跃迁到较高能级的受激或电离液晶分子不一定回到原来的亚稳态,而是跃迁到包括基态在内的所有低能级,向外发射的光子能量包括外界的红外辐射和动物通过肌肉对眼中液晶膜施加压力的能量,使液晶膜表面的反射光蓝移,成为人眼能看到的绿光、蓝光、黄绿色光等可见光。
从上面的分析可以看出,动物的眼睛在夜间发光,并不是简单的反射夜间极其微弱的可见光,而是反射布满夜空的人看不到的红外光,而红外光被反射后发生蓝移,变成可见光,所以人在看不到入射光的情况下,就能看到动物眼睛反射的光。如果动物不通过肌肉对眼睛内的液晶膜施加压力,液晶膜表面会带有一定量的负电荷,使大量液晶分子维持在激发态或亚稳态,动物的眼睛在夜间是不可能发出可见光的。这样的可见光,由于夜间光线强度较弱,呈现出与背景不同的奇怪颜色。