1、光（電磁波）泰山高中盧政良老師整理粒子還是波？介質的在空間中的相對運動，隨空間不同而有時間上的延遲便是波動。例如：一排啦啦隊，由第一個開始陸續上下擺動手臂，鄰近的人也跟著擺動但在時間上稍有延遲，依此類推便形成好看的波形。早期人們所認識的波動，不論是聲波或水波，都有介質作為傳播的媒介。聲波可以經由空氣、液體或固體傳播，但無法穿越真空，所以地球上所聽到的聲音都源自地球本身，於是很自然的認為波動都需要介質傳播。 要不然沒有東西擺動的波不是很奇怪嗎？可是太陽的光線卻可以穿過太空中的真空區域而傳達到地球上。此時可以採取的一種作法是接受光是一種波動，但是這種波動並不需要介質傳遞，也就是需要修改原有的波動學
2、說。雖然虎克比較相信光的波動說，但是牛頓選擇了另一種方式，認為光是一顆顆的粒子，從光源（如太陽處）快速的飛向地球。當光粒子進入眼中時便刺激眼球形成視覺。光束便是一連串行進中的粒子。由於牛頓在力學等其他方面的卓越貢獻，使得粒子說興盛近一世紀之久，可見科學家也有雙眼朦朧之時。直到 1803 年楊氏(Thomas Young)的干涉實驗推翻了粒子說崇高的地位。光的干涉現象是波動說的最有利證據。但是光如果是波動 ，那麼在太陽與地球間真空的區域內，是什麼東西在振動使得光波能傳達到地面呢？於是科學家創造了一個新的怪物以太。它無所不在，在真空中以太的運動使的光得以前進。可是卻不會影響星球或你我的運動，它幾乎
3、不和物質作用，否則地球或其他星球在龐大的以太海中運動，豈不是會逐漸慢下來。可是以太抵達眼睛時卻又能刺激眼球產生影像。當時認為以太只是尚未被偵測到而已。這樣的想法又持續了將近百年。直到 1887 年 Albert A. Michelson 和 Edward W. Moley 構想出測出以太和地球相對速度的實驗，可是以當時精密的測量技術卻怎麼量就是量不出來。最後只好承認實驗的失敗。科學家終於覺醒了，推翻了當初所構想出來的怪物，原本失敗的實驗卻是承認以太實際上並不存在的證明。於是科學家也只好接受光是一種特殊的波 ，一種不需要介質便能傳播的波 ，至少這樣的想法比起以太的模式簡單的多。 （這樣算不算是一
4、種鋸箭法呢？）現在我們說光的行為像是一種波動 ，為什麼不直接說光是波呢？因為後來又有光電效應等實驗，不得不以粒子（光子）的觀點來解釋，愛因司坦便是因為對光電效應的解釋而獲得 1922 年的諾貝爾物理獎的（可不是因什麼相對論的貢獻） 。光電效應電子在金屬內部可以很自由的游動，但是卻無法自由的跑出金屬外部，猶如被限制在圍牆內的自由彈跳的球，由於能量不夠大跳不過高高的圍牆。但是若拿個物品狠狠K它一下，便有機會讓電子（球）跳出金屬（圍牆）外。於是有人想用光去照射金屬表面，觀看金屬內電子被照射後的行為。在高頻的光線照射下電子比較容易被擊出金屬表面，可是當光的頻率低於某特定值時，卻是怎麼照，照多久電子卻都
5、是跑不出來，可是只要是頻率夠高，即使很微弱的光照射也會有電子跑出來。 （不同金屬有不同的臨界頻率，對應於使電子逃脫金屬表面的最低能量）而且當光照射到金屬表面時，便有電子馬上跳出來，不需時間的延遲。而且以頻率越高的光照射，跳出來電子的動能也越大，且動能和頻率間呈現線性關係。光若是波動，不管高頻與低頻都攜帶能量，雖然低頻的能量較低。但是照射時間越長應該可以提供的能量就越多，為何低頻的光照時完全跳不出電子呢？且微弱的高頻光為何一照射電子便即刻跳出來呢？不需要慢慢累積能量？當以波動的觀點，詳細計算後，必須照射光數分鐘電子才可能獲得足夠能量的情形，實驗結果卻是光線一照射便有電子發射出來。 以光的波動說
6、跳出電子的動能應該和光強度有關，但實驗結果只是和光的頻率相關，和光強度有關的是光電子的數目。最後只好假想是光子 ，每一個光子所攜帶的能量和其頻率成正比。比例常數為普朗克常數 6.62521034 焦耳-秒，當光子照射到金屬表面時，高頻的光子具有較高的能量，當光子和電子作用時，光子將能量完全轉移給電子，而使得電子獲得足夠能量，馬上可以掙脫金屬。可是低頻的光子能量不足以使得電子逃脫金屬表面，即使照射大量低頻的強光也沒有用，只要頻率夠高，光子的能量夠大即使很微弱的高頻光子， 也能即刻將電子轟出金屬表面，扣掉電子掙脫表面所失去的能量便是電子剩下的動能。因此電子的動能和光子的頻率相關，但和光強度（光子數
7、）無關。光子數越多更多照射出光電子。但是光子的頻率又是什麼意思呢？光子看似粒子 ，可是頻率是波的屬性。到底光是粒子還是波呢？似乎越弄越迷糊！干涉現象必須以波動說解釋，光電效應有非得粒子說的詮釋不可。我們最後只好說，光有雙重性格，有時候呈現波動性，有時候呈現粒子性，還好同一實驗中不會同時呈現兩種性質。當實驗的設計想觀察其粒子性時，便看到其粒子性的一面，反之則可觀看其波動的特性。光到底是波還是粒子的爭論，終於在雙贏的局面畫下暫時的句點，或許以後又有更進一步深入的見解，期待你的發現。電磁波的產生標題似乎已經表明這是一種和電 磁相關的波動，而且真空中的電磁波其皆會以光速c=3108m/s(公尺/秒)
8、前進，這是 James Clerk Maxwell 於 1856 年所發現的。於是他推斷光便是電磁波。我們現在了解電磁波有相當寬廣的頻率範圍，從數十赫茲的無線長波到 100,000,000,000,000,000,000,000（23 個零）以上的 射線，人眼睛所能感受到的可見光不過是4.01014 到 7.51014 一小區段範圍內的電磁波而已，雖然頻率不同，但是在真空中的行進速率皆是光速。但是電場與磁場如何形成電磁波呢？假想有一根直立的金屬棒，上下兩端加上電位差使得電子朝向正電位端加速，而另一端由於缺少電子而帶正電。這樣的電流會在四周空間形成磁場，若電位差隨時間隨時間變化（如以正弦函數變化
9、） ，則產生的磁場也會隨時間變化。磁場隨時間變化則由法拉第定律會在四周形成感應電場，而這些電場也會隨時間再度變化（以正弦函數變化） ，於是這些電通量的變化又導致四周形成磁場。如此交互循環， 交流變化電場感應交流變化磁場，而交流變化磁場再感應交流變化電場，於是就形成電磁波。光和原子物質是由原子所組成的。而物質的化學性質及光性質絕大多數決定於被原子所侷限的最外層電子。通常原子的最外層價電子都處於最低能量的分布狀態，稱為原子的機態。若是沒有外界的干擾，這些價電子將維持於基態的分布情形。當有外界影響的機制將能量傳遞給價電子時，例如：帶電粒子或光子的碰撞，將使的原子的最外層價電子的有新的分布（也會有較高
10、的能量狀態） ，這些比基態能量高的所有可能的分布狀態，稱為價電子的激發態。當溫度很低時，物質內原子的價電子幾乎都處於基態的狀況下，當溫度逐漸增加時，由於原子間的碰撞使得越來越多的價電子有機會被激發到激發態 。當電子處於激發態時會很快的(約 10 9 10 8 秒的時間內)回復到較低的能態，在發生能態變化的過程中便會釋放出光 ，而這些光的能量便是上述兩不同能態間的能量差。也有可能將能量藉由原子間的碰撞轉換為原子間的動能（例如照射光後物質表面越來越熱） 。同樣的外界所提供的能量也必須恰好等於兩能態間的能量，才有可能使得外層的價電子發生能態轉變。當價電子由較高能量藉由輻射電磁波轉換為較低能量態時，能
11、量差 E=hf, f 為所輻射電磁波的頻率，h=6.625210 34 焦耳-秒則稱為普郎克常數。不同的原子其最外層價電子可能存在的激發態並不相同，也因此不同原子的價電子也就有特定能吸收或輻射的電磁波（或光子） 。除了太陽光外，平常我們看到的各種光 ，例如氣體放電、火焰或物質高溫時發光，甚至看到物質所呈現的顏色都是原子的價電子發生能量狀態改變（能階躍遷）時所產生的（光照射到物質表面直接反射反射或被吸收後輻射出特定的色光抵達我們眼睛） 。由於不同原子的價電子有其特定的能量狀態（有特定的躍遷能量） ，因此檢驗物質所能輻射的電磁波便可以鑑定物質內所可能含有的元素。現在仍然不清楚到底在能量躍遷的 10
12、8 秒內，到底發生了什麼導致電磁波的輻射。們可以想像能量的躍遷導致特定共振蘋率的電磁振盪，因此輻射出該特定頻率的電磁波。散射與吸收原子吸收光子後輻射出另一光子的過程稱為散射，太陽光從大氣穿過、光線從鏡面或物質表面的反射都是散射過程的結果。我們平常所見到花花世界的物質，絕大多數本身都不是自發性的光源。我們之所以能看到物體是因為外界光源的光線照射到物質，被物質所吸收然後輻射出來的光進入我們的眼睛成像於視網膜，腦中接受訊號後形成的像 。原子對於入射的光子（依照能量或顏色的不同）可能有兩種反應：1. 若入射光子的能量恰好等於價電子可能存在能態的能量差，則光子的能量被完全吸收形成激發態。在密度高的物質內
13、，這些能量將轉換成原子間碰撞的動能，於是光子的能量轉換成熱能。在物質的表面則部分能量會被吸收成熱能，部分能量則依照物質能態的不同輻射出特定顏色的光，而呈現出物質的顏色。紅色的蘋果皮會吸收大部分黃藍綠等顏色的光，而且大多輻射出紅色的光。2. 否則光子的能量可能被基態的原子所散射。雖然由於無共振的能態，原子無法直接吸收光子的能量形成躍遷，但是電磁波的電場會使得價電子發生與電磁波頻率相同的來回振盪，於是電子的振盪將輻射出相同頻率的電磁波，猶如完全彈性碰撞般以電子為媒介，將入射的電磁能轉換為輻射出的電磁能。 此時原子的行為猶如一電耦極振盪，吸收入射的電磁波向四方輻射出另一相同頻率的電磁波。電磁波頻譜人
14、們將電磁波依照使用的特性給予不同的波段名稱：依照頻率低往高主要有無線電波、微波、紅外線、可見光、紫外線、X 射線與 射線。發現的順序則是可見光、紅外線(1800)、紫外線(1801)、無線電波(1888) 、X 射線 (1895)、 射線(1900)，最後於 1930 年產生微波。電磁波頻譜如下圖：無線電波波長範圍從 0.3m 以上的電磁波都稱為無線電波 Radiowave，也觀測到有數十公里長的無線電波。AM 調幅的波段約 535kHz-1605kHz，這些訊號容易受到閃電、汽車點火系統甚至電腦或計算機等的影響，FM 調頻的波段約 88MHz-106MHz，由於雜訊通常影響訊號的振幅，而 F
15、M 是將訊號以不同頻率載波因此較不會受到干擾。電視的影像以 AM 傳送，聲音則以 FM 傳送。由於無線電波的能量通常遠小於價電子的能階差，因此不會被全吸收發生躍遷，所以無線電波除了少量的散射外，可以猶如進入無人之境的穿越玻璃、牆壁等非金屬阻礙物。由於人的高度和 FM 的波長相近，人體本身也是很好的導體，因此是不錯的天線，是否覺得用手調整天線時信號不錯，可是一離開卻又收訊不良了呢？微波頻率範圍在 1GHz(10 9 )到 100GHz 的範圍屬於微波 Microwave。對應於真空中 1.0mm 到 30cm 的波長。 （在不同物質內電磁波的波長會改變）上述的無線電波無法穿越大氣的電離層，微波則
16、被用於地面和太空飛行物間的通訊。訂定時間標準的銫 Cs 原子鐘所採用的頻率便是 9.1926317710 9 Hz。 水分子本身是極性分子，於是在電場作用下將試圖與電場方向一致。微波爐所產生的電磁波（2.45 GHz，12.2cm 的微波）使得水分子受影響而產生共振振盪，於是大量吸收微波的能量轉換成水分子間的運動動能，也就是熱能。微波除了烹飪也用於電話通訊、警察的雷達測速等。紅外線1800 年時 William Herschel 測量太陽光線經稜鏡折射後各處所產生的熱。卻發現在紅光外的邊緣區域的溫度計竟然發生最多的改變，於是他認為有人眼所看不見的光稱為紅外線。紅外線的頻率從 300GHz 到
17、385THz（780nm） ，物質當加溫時皆會輻射出紅外線，包含人體（約起於 300nm 到最多於 10000nm）或動物體溫的溫度。紅外線可穿透鏡片或雲層。底片也會對紅外線感應，因此是很好的探測工具（間諜衛星） 。紅外線被用於追蹤熱源、夜間警衛與軍事行動探測或各種遙控器等。 （轟炸行動通常在夜間，雖然人眼無法直間看見物體，但紅外線卻可看得清清楚楚） 。可見光通常指波長從 780nm 到 390nm 的電磁波，人眼睛可看見的範圍可廣至 312nm-1050 nm。只是能見度越來越差而已，且過度的照射容易對眼睛造成傷害。人眼對於白光的感覺應該是源自於對於太陽光的感受，只要光線含有與太陽光類似比例
18、的不同頻率光線，便都會產生白光的感覺，並不存在單獨頻率的白光 。656nm 的紅光492nm 的青綠色 cyan 光加起來被可有白光的感覺。人眼睛並無法區分由不同頻率分布所形成的同一色光（耳朵則可以分辨不同音色） 。單獨508THz 的光感覺是黃光，可是 507THz509THz 合起來的光對於人眼睛感受會相同，除非以光學儀器否則人眼分不出是否看到單頻的光線。顏色並非光本身的特性，而是該頻率的光與視神經與腦海共同形成的感覺。因此對於黃光更精確的說法是看起來黃色的光 。下表眼睛對於可見光所對應感覺的約略波段範圍。真空中波長 540nm 的綠光 + 690nm 的紅光 同時進入眼中時，雖然其中一點
19、黃光範圍的電磁波都沒有，卻會產生見到黃光的感覺。顏色 頻率範圍(THz) 真空中波長(nm)紅 384-482 622-780橘 482-503 597-622黃 503-520 577-597綠 520-610 492-577藍 610-659 455-492紫 659-769 390-455在日光下人眼睛對於黃綠光範圍的光線最敏感，太陽光譜最強的光線波長便是 560nm( 2.2eV)，因此戴上黃綠光綠色的眼鏡片時物體的清晰度（對比）最明顯。以我們人的尺度而言，可見光的波長很短 ( 0.000,000,000,780 公尺)。可是對於原子的尺度(10 -10 m)而言卻是數千倍長。在太陽光
20、下每平方公分約有 1017 個光子在一秒鐘內落下，因此很難看到光的粒子性，猶如一盆水那麼多的水分子，我們也主要注意到其波動性。人的眼睛倒是相當敏銳，即使只有約 10 個光子進入眼中（約剩下一個到視網膜）我們依舊能感受到光子的訊號。可見光也可能會和部分物質起作用，引起化學反應，因此底片、酒類或部分藥品（阿司匹寧等）必須儲藏在陰暗處；醫院會將早產兒放在有藍紫光較多的保溫室內，因它將造成黃疸症的分子分解；每年地球上的植物藉由光和作用取代了大量的二氧化碳，也造就世界生物的循環鏈。紫外線對應頻率範圍約 81014 Hz 到 2.41016 Hz。1801 年（在紅外線發現的第二年）J. Ritter 發
21、現了紫外線的存在。當時已經知道氯化銀在光照射下會變黑，可是他發現在紫光光譜外的區域更加嚴重，於是將此人眼見不到的光稱為紫外線 Ultraviolet 。對應約 300nm 的太陽紫外光區會使皮膚曬黑或曬傷，約 4eV 的能量便足以破壞 C-C 碳分子的鍵結。當陽光通過大氣層時大部分的紫外光都因此被吸收了，藉由臭氧層的作用使得地球不至於成為紫外線的殺菌室 。波長更短於 300nm 的紫外光更將會破壞蛋白質。物質反射可見光的能力和反射紫外光一樣，在沙灘或雪地的環境裡即使沒有直接曬到陽光，可是附近環境所反射卻看不見的紫外線依舊會傷害到人體。反之，玻璃窗戶卻會吸收大部分的紫外光，因此在屋內曬太陽只是會
22、多流汗，卻是不會將皮膚曬黑的。人的眼睛看不見紫外光主要是眼角膜吸收了絕大多數的紫外光，因為白內障而移除眼角膜的人對於紫外光是有反應的，蜜蜂海豚等動物對於紫外光都是能看得見的。單獨原子價電子的躍遷產生主要的可見光。當原子形成分子時，電子被束縛的的更厲害或者說能階更高，而主要在紫外光區。大氣中的 N2、O2、CO2 和 H2O 的價電子在紫外光區的共振也造成了藍色的天空。X射線主要對應頻率在 2.41016Hz 到 51019Hz。由於能量約 100eV-200KeV，因此單獨的 X 光子便足以對物質起破壞作用。醫學用的 X 射線主要在 20keV-100keV 之間，藉由穿過人體時不同區域被吸收
23、的量會不同，經過全身各方向的 X 射線掃瞄後的訊號，透過現代電腦程式計算，可以將身體內部 3D 的結構清楚的顯現，對於醫學診治很有幫助。X 射線的來源主要是原子的內層電子發生能階躍遷時所產生。 射線主要對應於 200keV(0.2MeV)以上的電磁波。原子核內的核子（質子與中子）也會有不同的分布，也對應有不同的能階。由於原子核內的能階更高，當發生躍遷時便產生 射線。早期對於X 射線與 射線的區分在於能階的躍遷起源與原子的內層電子 或是由原子核的躍遷而來。可是近代的加速器 使得電子在加速（轉彎也是加速）過程時，也會輻射出高能量的 X 射線或 射線。主要用於科學研究或高科技用途。http:/.tw/bookmark/nature/05/05-04.asp
