日常生活中，水蒸气凝结成小水滴是非常常见的现象。尤其是新冠病毒爆发，很多人被迫戴上了口罩，眼镜结雾这个问题给我们带来很多的困扰。本文就与您探讨一下这个就发生在我们眼前奇妙过程的微观物理学原理。

一、水分子的结构

水的性质源自其特殊的分子结构。水（化学式：H2O）在标准状况下，水在液体和气体之间保持动态平衡。室温下，它是无色，无味，透明的液体。水分子的三个原子形成104.5度角。

每个氢原子和氧原子之间的键，叫共价键，通过分享一对电子形成。由于氧比氢争夺电子的能力要强，因此，共价键氧的一侧带负电(-)，氢的一侧带正电(+)。

液态水中的分子并不是独立的分子状态。由于氢键的作用，水分子会手拉手形成分子团的结构。这些氢键也会随时断开，形成游离的氢离子和氢氧根离子，但是这些离子马上会跟附近的氢离子或者是氢键结合，这是在水中一直在动态发生的过程。

如果您就此以为，氢键是一种很弱的相互作用力，那您就大错而特错了。因为电磁力与万有引力相比，非常强大，地球这样大的一个行星对一个电子产生的引力，还不到一个质子对其核外电子产生引力的百分之一。万有引力的作用在水分子氢键之间的作用力面前，完全可以忽略不计。

二、泳镜里的水雾

镜片上的小水滴是由水蒸气凝结成的，不同的情况下，水分子的来源不同。比如游泳的时候戴泳镜，水分子主要是来自皮肤的蒸发，我们越卖力气地划水，皮肤蒸发出来的汗水就越多。

泳镜内就像一个小的桑拿浴，里面湿热，而周围的水却清凉，外面的水不断将泳镜的镜片冷却，泳镜中温热的水分子碰上清凉的镜片就会释放出热量，用物理学的话说就是分子热运动的速度会降低，释放出动能，并被镜片与水分子之间的引力拉住附着在镜片上。

随着附着在镜片上水分子的增加，相邻的水分子开始多了起来，水分子之间的吸引力要大于水分子与镜片之间的引力，于是水分子就开始聚集成一个小水滴，并且尽可能的努力变成一个球形。多数情况下是类似一个半球，因为这些小水滴除了表面张力，还受到镜片的吸引力。

由于不断有水分子努力突破那个球形表面，但相邻的水分子同时努力把它们往回拉，所以这个小水滴的表面总是非常的光滑，并向镜片表面弯曲。相邻的微小水滴之间如果相遇还会合并，由于表面张力让水分子向内聚集，这些小水滴就会变成更大一些的小水滴。

需要注意的是，蒸发和凝结过程是同时在进行的。泳镜内的水蒸气分子的运动速度要比镜片上小水滴的运动速度快，所以凝结的过程要比蒸发的过程快。如果是在一个开放空间中，这种过程就会逆转，水的蒸发速度超过凝结的速度，溅射在桌面上的小水滴会很快蒸发掉。

这些小水滴的直径非常小，通常在10~50微米之间。由于重力无法与小水滴与镜片之间的摩擦力相抗衡，所以这些小水滴不能自己流淌下去。这就是我们不得不经常擦拭泳镜的原因。

汽车风挡玻璃以及眼镜片上的结雾过程与游泳镜内的水雾结雾过程是一样的，只是，水分子的来源不同。它们主要来自我们呼吸过程中吐出的水蒸气。

三、为什么结雾之后的镜子看东西会模糊？

这些大致均匀分布在镜片上的小水滴会象透镜一样折射和反射光线。当我们戴着起雾的眼镜看向远处的时候，光线就会被这些小水滴折射，然后再进入我们的眼睛。无数的小水滴构成了无数个小折射镜，这些小透镜打乱了远处的图像，所以我们只能看到一片模糊的影像。

玻璃上的小水滴能够折射光线是因为其呈现出来的半球的形状。对于可见光来说，水分子的直径比较小，可见光的波长比较长，所以可见光能够几乎无损耗地穿过水分子组成的网格，直到遇到新的界面发生折射。

少部分光线在入射到水分子表面的时候，能够被反射。水分子之间的表面张力使得这里的水分子要比液体内部的水分子更活跃，表面水的导电性要更强，有很多的氢氧键中的共享电子处于能量较高的状态，这些电子会在不同的氢氧键之间移动，形成少量的受到部分限制的可移动电子。

可见光的光子能量还不足以使这些电子逃离水面的束缚，光会被反射出去。由于小水滴附着在玻璃的表面，就像一个个的小半球扣在玻璃上，所以它们的反射光也是没有固定的方向的。这也是为什么，有雾气的镜子不能照出清晰人影的原因。

结束语

水蒸气在镜片上凝结成小水滴的过程就发生在我们的眼皮底下，只是它们的体积实在是太小了，我们无法看到这些有趣的细节。在水分子的世界里，虽然我们熟悉的引力仍然在发挥着作用，但是当它们只是很小的一团的时候，起主导作用的是氢键的作用。

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本文由“郭哥聊科学”发布，2020年3月10日