羊毛衣服雖好 但是縮水問題令人苦惱 縮水究竟是怎麼一回事呢 為什麼羊身上的羊毛淋雨後不會收縮呢
問答導航 Q1 為什麼在北方泡的臘八蒜是綠色的，在南方是黃色的？ Q2 酒精等其他液體可以凍成雪花嗎？ Q3 夸克的質量是怎麼來的？ Q4 二氧化硅是白色的，為啥沙子是黃色的？ Q5 為什麼老式打水的井要先倒點水再打水？ Q6 為什麼電子層的命名是從K開始而不是從A開始？ Q7 影響物質比熱容的因素是什麼？為什麼水的比熱容大？ Q8 毛衣洗後會縮水，為什麼羊身上的羊毛在淋過雨後不會收縮呢？
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Q1
by 泰坦尼克號
答：首先要知道，大蒜是怎麼變綠的呢？這牽扯到一種複雜的生化反應，叫做酶促反應。大蒜細胞中存在較多的含硫類生物活性物質，泡製臘八蒜的醋能起到增加細胞膜通透性的作用，正好能讓這些物質和蒜酶發生反應，這些含硫化物在蒜酶的作用下，可生成二烯丙基硫代亞磺酸酯（大蒜素）等物質。繼而它們會經過一系列的複雜反應生成大蒜色素，最初為藍色素（蒜藍素），藍色素會繼續轉化成黃色素（蒜黃素）。由於兩種色素並存，所以大蒜會呈現綠色。
為什麼南方泡的蒜不綠？這是因為低溫也是臘八蒜變綠不可或缺的條件。低溫（3°C到10°C最佳）能打破大蒜的休眠，蒜酶會被迅速激活。在古代，腌制必須選在臘八前後，正是一年中最冷的時候。南方因為室溫比較高，蒜酶的活性不易被激活。不過現在有了冰箱，即使在南方，即使不是在臘八，也可以隨時腌制出綠色的大蒜啦。
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by Childe
Q.E.D.
Q2
by 匿名
答：可以，但要先澄清一下，一般我們說的從天而降的雪花，是直接從水蒸氣凝華而來的，而不是從液體凍出來的，那樣得到的一般是緻密的冰晶（氣象上稱為霰，在上升氣流的托舉下可以長大成冰雹）而不是蓬鬆的雪花。
形成雪花需要兩個條件[1]：一是，空氣中的水蒸氣在當前氣溫和當前蒸氣壓下過飽和，此時的臨界氣溫稱為霜點；二是，空氣中存在小顆粒或者小冰晶可以作為凝結核讓水汽附着。而在第一個條件中，水完全可以替換成其他物質。考慮到一個大氣壓下酒精，也就是乙醇的熔點是-114.3℃，而凝華所需要的霜點溫度比這更低，所以在地球上看到酒精雪花比較困難，需要在實驗室製造相應的環境，或者把地球流浪到木星軌道。
但其他行星是有可能的。比如土衛六的地表大概在-180℃，科學家推測它有可能下乙烷雪，而且還有可能下甲烷雨，土星探測器卡西尼號就在土衛六上發現了甲烷湖泊，佐證了這一點。
再比如天王星和海王星，它們的表層大氣含有百分之二的甲烷，在與其他分子形成氣溶膠後共同形成了藍色的大氣。科學家普遍認為，在這兩顆行星的表面溫度下，甲烷是可以直接凝華成雪下下來的。
參考資料：
南方見不到雪怎麼辦？那就來一場人工造雪！
by 牧羊
Q.E.D.
Q3
by 匿名
答：標準模型認為，夸克乃至所有基本粒子的質量來源於安德森希格斯（Anderson-Higgs）機制。由於自發對稱破缺，Higgs場在真空中獲得了非零的期望值，賦予了夸克質量，具體來講，考慮Yukawa相互作用，是耦合常數，代表夸克（費米子），代表Higgs場，當的期望值不為0的時候，假設，則，也就意味着獲得了質量。這樣得到的夸克質量叫流夸克（current quark）質量，也叫裸夸克質量。
需要強調的是迄今為止，自然界中並未觀察到單個的夸克，人們只觀察到夸克組成的強子（如質子、中子）。與流夸克質量對應，當夸克組成強子時，夸克之間因為交換大量膠子，獲得了更大的質量，就像穿了一層一層膠子做的衣服一樣（儘管膠子本身並沒有質量），這個時候就有了組分夸克（constitute quark）質量。以質子為例，質子的質量大約是938MeV，組成質子的三個夸克（兩個上夸克和一個下夸克）每個夸克的組分夸克質量都為1/3質子質量大約313MeV， 而上夸克的流夸克質量只有2.16MeV，下夸克只有4.67MeV，剩下的質量都來自於夸克“穿”的“膠子”衣服。
參考資料：
Peskin M E , Schroeder D V , Emil M .An Introduction to Quantum Field Theory[J].Phys. Today, 1996.DOI:10.1063/1.2807734.
Quark
Yukawa_interaction
The Review of Particle Physics (2023)
by 前進四
Q.E.D.
Q4
by 匿名
答：先上結論：純凈的二氧化硅是無色透明的，真的不是白色的！沙子也真的不一定是黃色！
沙子的顏色通常取決於其礦物質成分和環境因素。沙子的主要化學成分是二氧化硅，也就是我們所說的石英，這是一種無色透明的礦物。但是沙子中可能含有其他類型的礦物，尤其是含鐵的礦物，這些礦物可以改變沙子的顏色。當鐵元素被氧化時，沙子可能會呈現出黃色。此外，沙子的顏色也可能受到當地物質條件的制約，比如土壤類型和氣候條件。
並非所有沙子都是黃色的。在自然界中很難有非常純凈的二氧化硅，多少都會含有雜質，與其他礦物共同構成了岩石，這些礦物因本身的性質會導致二氧化硅的顏色發生變化。比如紅色的沙灘。
石英晶體是結晶的二氧化硅，在珠寶界石英有個響亮的名字叫水晶，水晶可不止有無色透明的，不純凈的水晶會出現其他顏色，像紫晶、粉晶等等。
by Serendipity
Q.E.D.
Q5
by 匿名
答：小編小時候也一直覺得老式壓水機非常神奇，倒一瓢“引水”進去，然後開始上下壓動手柄，如此呼呼幾下，這瓢水就引着躲起來的水嘩嘩流回來了，而且水好像取之不盡一樣。用完後還要在瓢里留下一瓢水，方便下次搖水。現在小編知道其實老式壓水機的結構非常簡單，主要利用了大氣壓強和槓桿原理。
壓水機的工作原理如上圖所示。壓水機下方通過管道連接着地下水，L1，L2是兩個單向閥，兩個單向閥都只能向上打開，下方單向閥L2固定，上方單向閥L1在活塞上，隨活塞一起上下運動。向下壓手柄時，活塞向上，L1關閉，體積增大腔室內的壓強減小，外界的大氣壓強把水通過L2壓入空腔。向上提手柄時，L2關閉L1打開，水從L1流出。重複這個過程，水就源源不斷地被壓上來了。並且手柄利用了槓桿原理，動力臂長而阻力臂短，可以讓壓水更加省力。
由於活塞和單向閥密封不是很好，在提水時可能會向下漏氣，先加一些“引水”，可以讓橡膠活塞和管壁貼合得更好，讓單向閥上的膠圈不會漏氣，加上水後密封效果提高。但實際上不加引水也可以壓上水來，只不過需要的時間和用的力氣會更多一些（這一點我實際嘗試過）。雖然老一輩人說不上來這具體是什麼原理，但是長久以來都知道先加“引水”會更好壓水，這也是勞動人民生活中智慧的一種體現吧。
by Childe
Q.E.D.
Q6
by y q c
答：這是一個歷史問題。
在了解原子結構之前，人們已經研究了原子光譜。重金屬元素靶在受到高能電子轟擊時會放出X射線（比如現代的物理實驗室中使用的X射線典型參數是40kV加速電壓、40mA電子束流強，Cu靶或Mo靶），隨着電子束能量的變化，同種元素的靶可以產生多種不同頻率的特徵X射線。最開始人們把這些X射線按波長從短到長依次命名為A、B、C線……但是後來人們意識到，可能還有能量更高（也就是波長更短）的射線尚未被發現，於是把A、B、C改成了K、L、M，而將A~J空出。注意，直到這時我們還在聊原子光譜，並沒有牽涉電子殼層。
幾十年後，人們了解了原子的內部結構，也理解了X射線特徵譜線本質是外來電子將內層電子激發後，原子的外層電子向內層空穴躍遷，同時以光子形式釋放能量。而K、L、M線分別是原子外層電子向最內層、次內層、第三內層的空穴躍遷時釋放出的，因此就把原子從內到外的第一、二、三層電子分別叫做K層、L層和M層了。
當然，K系X射線還可以細分成Kα、Kβ等，但這與我們的故事就無關了
by 藏痴
Q.E.D.
Q7
by Schrieffer
答：物質的內能包括組成物質的粒子(可以包括分子、離子等等）的動能和來自於這些粒子相互作用產生的勢能，比熱容是單位質量物質提升一度所需要的能量，而溫度又反映了粒子的平均動能， 因此影響物質比熱容的因素一方面來自物質內能中勢能的大小，即溫度提高一度，需要有多少能量分給勢能；另一方面則是分子的動能來自多少自由度，根據能量均分定理，在溫度T下每個自由度都佔1/2kT的能量（k是玻爾茲曼因子），譬如對於單原子分子在三維空間只有三個平動自由度，而雙原子分子還有兩個轉動自由度（此時不考慮相對運動），因此雙原子分子的定容比熱容比單原子分子的定容比熱容大約就是5：3。需要補充說明的是上述理論並沒有考慮電子比熱的貢獻，在很多材料，譬如金屬中，還需考慮電子比熱的影響。
在回答第二個問題之前首先需要說明的是人們對於液體的研究相比於固體和氣體仍處在非常初級的階段，對於水這樣複雜的液體更是如此。主流的觀點認為是液體水中氫鍵的存在導致了水的比熱容較大。氫鍵是一種強度介於共價鍵和范德瓦爾斯相互作用之間的鍵，在水中連接不同分子的氧原子和氫原子，在液體水溫度升高的過程中，相當部分的能量用來使氫鍵斷裂，換言之，用於增加水分子之間的勢能，導致水的比熱容較大。
參考資料：
汪志誠.熱力學·統計物理[M].高等教育出版社,2019.
C.基秦爾.固體物理導論[M].科學出版社,1979.
Olovsson,Ivar.Wonders of Water (The Hydrogen Bond in Action) || Physical Properties of Water and Ice; Significance in Nature[J]. 2017, 10.1142/10684:53-62.
by 前進四
Q.E.D.
Q8
by 冰凍的羅非魚
答：毛衣上用的羊毛本質上是一種羊毛纖維。羊毛纖維的結構比較特別，其外層被一層層方向一致的鱗片包圍。這些鱗片的排列方式賦予了羊毛纖維一種單向運動的能力，可以說是自然界的“棘輪”。由於這種結構，羊毛在單一方向上滑動起來是相對順暢的。
然而，當我們將羊毛衫放入洗衣機中，強大的機械力量使得羊毛纖維在滾筒的翻滾和水流的衝擊下互相摩擦。在這種情況下，纖維間的鱗片會因摩擦而相互勾結，纖維變得緊密交纏，最終導致羊毛衫的縮水現象。
而對於淋雨的綿羊來說，雖然雨水會使羊毛纖維膨脹、鱗片變軟，但羊身上的羊毛並未受到足夠的力量作用，也就是說，雨水下落的力度遠遠不足以令羊毛纖維間的鱗片發生強烈的摩擦和交纏。即便綿羊在雨中被淋濕，羊毛也不會因此而收縮。
總的來說，羊毛在羊身上和被加工成毛衣後的性質是不同的。洗滌和烘乾毛衣時應遵循正確的護理說明，使用冷水和溫和的程序，並在低溫下烘乾或自然晾乾，以避免縮水。
參考資料：
Why Don’t Sheep Shrink In The Rain?
by 魚非我
Q.E.D.
編輯：小范
