黑夜里手表的点点光芒

小时候，我们的手表带有夜光功能，恨不得在白天也用手将手表围起来，感受它在黑暗中的点点光芒。夜光材料带给我们的童年太多的美好想象，如夜空的星辰让我们安宁。那么，我们不忍会问，手表为什么能够在夜晚发光？发光材料具有怎样的科学原理？夜光会对身体有辐射吗？

手表的夜光材料分为自发光型和蓄光型两种.自发光型夜光材料的基本成分为放射性材料，不需要从外部吸收能量，可持续发光，不仅黑夜，白天也是如此。蓄光型夜光材料很少含有放射性物质，没有使用方面的限制，但它们要靠吸收外部的光能才能发光，而且要储备足够的光能才能保证一直发光。蓄光型夜光材料的另个缺陷是辉度不够。

大部份手表的夜光是以氚元素为涂料，氚-三重氢(3H)，为氢之同位素，其幅射为b 线，可为金属与玻璃吸收，但会穿透塑料表壳，所以以前的手表会警告使用者玻璃如果破裂后不要配带.在军表上有夜光的表款会标示“H3”或“T”(tritium)。八十年代后基于联合国华盛顿环境保护公约要求，手表只可涂抹较薄的氚涂料，故大多均可为金属与玻璃吸收，幅射线影响是低于环境值的.塑料表壳手表则不适合涂抹氚涂料。手表夜光辐射大吗？对人体有没有影响？

夜光手表虽然有一定的辐射，氚元素是一种放射性元素，但没有哪个制表商敢让他们的表产生的辐射大到足以伤害人体，手表的辐射量都严格控制在一个安全的范围内。所以请安心佩戴夜光手表表。换句话说，夜光手表的辐射是微不足道的.戴十年的夜光手表所受的辐射还不如接受一次X光检查的多，不需要过多介意。

探究夜光材料的发光原理，荧光粉之所以有荧光现象是因为含有荧光染料。下面解释一下荧光过程中荧光染料分子经历的变化。分子也是由原子核和电子构成，电子具有能量，大致分为原子核对电子的吸引，电子-电子排斥，以及电子相关能量。前两项是经典库仑相互作用，最后一项来自于量子效应。这几项组合的结果就导致了分子中电子的能量只能去一系列离散值（这也是量子效应），我们通常把这些能量的可能取值叫做电子能级。具有某个能量的电子具有某种对应的运动状态，通常叫做分子轨道。在我们采用一系列近似后，可以认为每个分子轨道上可以放两个电子，这两个电子的自旋相反。一个分子内的电子数目是有限的，但分子能级（及对应分子轨道）的数目无限。分子稳定性要求整个分子体系总能最低，所以电子会从能量最低的轨道开始排，N个电子会占据 N/2 个能级，这就是基态的电子构型。电子能级的间距一般为几个电子伏特（eV）。影响一个孤立分子能量的因素除电子态以外还有分子的振动，其实就是原子核们会在平衡位置附近有小幅运动。这种运动表现为键长，键角，二面角以及更复杂的几何因素的变化，量级一般在 0.0025 到 0.5 eV。通常可以把电子能级和振动能级分开处理，可以得到下面的 Jablonski diagram，这里只列出了两个电子态 S0 和 S1。每个电子态都可以看做一个振动态的 manifold。

现在先看光子的吸收。起初分子处于基态，就是 S0 的 0，一个能量合适的光子打过来后，电子吸收了这个光子的能量，跳到第一电子激发态的第三振动激发态。这个过程中能量是守恒的，分子体系能量增加了 \hbar\omega, \hbar 为普朗克常数除以2\pi，\omega为光子角频率。当然，如果光子能量稍多或稍少，电子会跳到更高或者更低的某个态上，如果这个态存在的话。吸收完成后，分子处于一个不怎么稳定的状态，有放出能量回到基态的趋势。这个放出能量有多种途径，比如图中的红色箭头，是振动能级的弛预，通过分子之间的碰撞等过程把振动能量变成分子动能，宏观上来看体系温度升高，也就是变成了热。通过某种方式弛预到第一激发态的振动基态后，发生电子跃迁，回到电子基态。这个跃迁的终态也是有多种可能的，可以回到电子基态的任意振动激发态。这个过程中，体系发出光子，能量降低，即为荧光。从吸收到发射中间有一个时间差，可以认为这是电子激发态的寿命。随体系不同，激发态寿命会有很大差别。比如某些血红素蛋白为几十个飞秒（1E-15s），苯酚的第一激发态寿命大概在几个纳秒（1E-9s）。激发后，荧光强度随时间指数式衰减。

没想到，小小的夜光手表背后竟然也有这么多的科学奥秘。探究材料之源，我们不免获得些许智慧之光，科技带给我们生活许多美好想象，也给我们一个在夜晚中的时刻光芒。我们爱科技的本质，更爱科技的精神。（编辑：惜惜xixi）

（作者：科普中国责任编辑：天极科普君）

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