你的皮肤每天都在发生“光电效应”？ | 十万个量子为什么（十五）

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日照的时间越来越长，天气也越来越热了，不少城市早早“官宣”入夏。在物理生眼中，太阳源源不断地向地球投掷大量光子。波长范围380nm~750nm的光子可以被我们的眼睛捕捉到，这部分被称为可见光；还有很大波长范围的光属于不可见光，虽然我们的眼睛看不见，但身体的其他部分会感受到它们的存在：阳光照在皮肤上暖洋洋的，是红外线的热效应；晒太阳皮肤颜色会变深，是紫外线的作用，过量的紫外线还会让皮肤受伤。

根据生物效应的不同，紫外线按照波长范围又大致分为长波UVA、中波UVB和短波UVC。波长越长，穿透能力越强。

长波UVA（320nm~400nm）是阳光中最常见的紫外线，一年四季，阴晴早晚都存在。UVA穿透力很强，可以穿透玻璃，甚至数米的水，皮肤接触的紫外线中95%都是UVA，它能够穿透皮肤的表层，深入真皮层，引起皮肤的光老化，导致皱纹和黑色素沉着。


中波UVB（280nm~320nm），日光中大部分UVB都被臭氧层吸收，只有很少一部分到达地球表面，它的强度随季节和时间变化很大，夏天和午后最强。UVB穿透力中等，一部分会被玻璃吸收，主要作用于皮肤的表层，会引起皮肤红肿和疼痛，是晒伤的主要原因。不过适量的UVB照射可以促进皮肤合成维生素D，对骨骼健康有益。


短波UVC（200nm~280nm），日光中含有的UVC在到达地面之前就几乎被臭氧层吸收了。它的穿透能力很弱，无法穿透大部分的透明玻璃及塑料。UVC可用于杀菌，紫外线杀菌灯发出的就是UVC短波紫外线。


总结一下就是，长波UVA负责晒黑、老化，中波UVB主打晒伤，适量倒可以补钙，短波UVC杀菌，安全情况下皮肤接触不到。


物理考生对此很熟悉，波长越短，频率越高，能量越大。

光量子是也。


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光量子是爱因斯坦在1905年提出的概念，用来解释光电效应现象。


1887年，赫兹在研究电磁波的实验中偶然发现，当紫外线照射到电磁波接收器间隙的负电极上时，负电极更容易产生电火花。这一现象就是后来人称的“光电效应”，可惜赫兹没有进一步去追究现象背后的原因。

之后人们又发现了光电效应更多的规律，简单总结起来就是：对于特定的金属，光能否从它的表面打出电子（也叫光电子，光打出的电子）只和光的频率有关，与光的强度无关，光必须大于某个频率（截止频率）才能打出电子，紫光能打出电子，而红光不能；当光的频率大于截止频率，打出电子的多少与光的强度有关，光强越大，打出的电子越多。

根据经典波动理论，光的能量由光的强度决定，而光强由电磁波的振幅决定，与频率无光，这无法解释光电效应。


爱因斯坦提出的光量子说可以很好地解释。假设光是由一份一份的能量子组成的，一个光子的能量，是光的频率，光子的能量与频率有关。电子从金属表面逃逸出来需要克服金属的束缚做功，做功的最小值称为逸出功W，逸出功的大小由金属材料决定。只有光子的能量大于逸出功，才有可能打出电子，电子的动能Ek与入射光子能量和W满足光电效应方程：

借用爱因斯坦光量子理论，物理生脑海中浮现了一版皮肤版光电效应。


来自太阳的紫外线光子，对皮肤中的电子实施劫狱行动。一部分电子吸收光子能量，成功越狱，获得自由。获得短暂自由的电子引起了一些混乱，DNA链受损、断裂，皮肤老化，甚至癌变，皮肤这道屏障岌岌可危。


好在人类在地球上经百万年演化出来的皮肤也不是吃素的，位于表皮基底层的黑色素细胞在UVA的作用下产生黑色素，黑色素充当保安拦住大部分紫外线，阻止紫外线透入真皮，保护DNA不被破坏。还有一些细胞充分利用UVB帮助自己合成维生素D3，促进钙质吸收，强健骨骼。


更何况，聪明的人还发明了穿衣，衣物的纤维可以反射吸收紫外线，减少皮肤表面接收的紫外线量，相当给皮肤叠个甲。


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帮皮肤叠个甲，就是防晒的底层逻辑。


除了衣物和遮阳伞的遮挡，现代人还发明了防晒霜。日用品货架前面，防晒霜防晒以外的功能宣传得五花八门，防水、透气、美白、保湿、除皱……就像现在的考题，题干越来越长，冗余信息越来越多，不知道是考物理还是考语文。物理生只要抓住防晒的关键点，五花八门的干扰信息都可以跳过不看。


UVB光频率更高，光子能量更高，破坏力强，防晒首当其冲要阻断过量UVB。SPF值代表阻挡UVB光的战斗力，越大代表越强。


UVA频率较低，光子能量较低，破坏性较小，主要是促进表皮基底的黑色素细胞产生黑色素。如果嫌弃变黑，防晒霜中阻挡UVA的成分就起作用了，标签上的PA值就代表这一能力。实际上，黑色素细胞产生的黑色素沉着随着时间推移会慢慢移动到表皮，最后老化脱落，所以夏天晒黑的皮肤，捂一个冬天还会白回来的。


希望以上防晒密码（SPF，PA）的解读能帮助大家选购防晒霜，最好还能顺便复习一下光电效应。


愿诸君如破晓的光子，携智慧之光奔赴考场，穿透谜题；每一道笔触都是能量的跃迁，每一次思考都与正确答案共振。知识的光电效应在答卷上闪耀，光电子带着自信的动能奔向目标！