什麼是光?它從哪裡來?

by | Feb 29, 2024 | blogs | 0 comments

照片為Unsplash網站的Nadine Shaabana所提供

序言:光是什麼?

我們不是科學家,理所當然地認為光就是光,很少考慮它從哪裡來或是如何產生的。 但如果你的工作涉及光、照明或是室內農業,我們認為你可能會想知道這些光的科學小常識。

因此,本文即將揭開「光是什麼?」的神秘面紗。

序言:光是什麼?

圖1:由Unsplash網站的Umberto提供

光是能量的釋放

簡而言之,從光源(例如白熾燈泡)所發出的光子只是能量的釋放。 這個概念可以比喻成一根被迅速拉斷的橡皮筋。

假設你施加物理能量來拉開橡皮筋。 你所施加的物理能量會轉移到橡皮筋材料中,形成了潛在能量。 當你釋放其中一端時,橡皮筋迅速收縮,你會聽到一聲“啪”的聲音。 這聲響就是以聲音的形式釋放出的潛在能量。

    拉橡皮筋

    圖2:拉橡皮筋

    現在我們來談談光。 白熾燈泡中的燈絲是由鎢這種材料所製成。 鎢由分子組成,而分子是由一群連在一起的原子所組成的。 原子有一個稱為原子核的中心,周圍有電子,電子會繞著原子核運轉。

    圖3a:燈泡中的燈絲

    室內農業

    圖3:白熾燈泡中的燈絲

    (圖片由Unsplash網站的alessandro-bianchi提供)

    讓我們從處於自然低軌道的電子開始講起(圖 4-a)。

    當你給燈泡施加能量或電力時,燈絲原子中的電子將被激發到更高的軌道並獲得位能(圖4-b)。

    當電子恢復到較低軌道或自然狀態時(圖 4-c),它將釋放能量 – 但它不像前面橡皮筋的例子用聲音的形式釋放能量,它釋放出來的是光子。

     

    因此,光就是能量的釋放 – 雖然其他類型的燈(如LED、螢光燈等)在許多方面有所不同,但各類燈光都是透過電子跳至較低位能的方式來發射光子。

    反射,吸收,穿透

    圖4:由Unsplash網站的Josie Weiss提供

    即使電流恆定,電子也不會停留在較高的軌道上

    電子不會一直停留在較高的軌道,因為即使有持續的電力供應,它們仍然傾向於迅速返回較低的能量狀態,也就是低位能的軌道上。

    高軌道中的電子就像高空走鋼索的人。 它們一直處於非常不穩定的狀態,很容易從高軌道中掉落下來。 但是,為什麼電子在這種狀態下不穩定呢?

    量子物理學

    簡而言之,電子這種「亞原子粒子」是很奇怪的。 它們存在於極微小的世界,即量子力學的世界。 在量子力學的世界中,事物的行為不同於我們自己的感知世界,包括觸摸、聽覺、視覺和嗅覺。

    電子在任何時間點的存在位置都是不確定的,這使得它在高軌道的位置時岌岌可危。 因此,它們容易從高軌道墜落並發射出一個光子。

    由於持續的電力供應,一個電子墜落後,下一個電子又被提升到較高的能量狀態,並且又很快掉落下來 – 正是這種數十億電子的持續上升和下降,給我們提供了從燈泡中產生這一串光的現象。

    室內農業

    圖5:高軌道的電子就像高空走鋼索一樣,不穩定而且危險。

    深入探討:古典物理學與量子物理學中的電子

    有些人可能會認為我對古典物理學中原子、核和電子軌道的這些描述是不準確的。 我同意,但這仍然是教學場域中常見的教學方式,以幫助學生「輕鬆」理解物理和化學的複雜性。

    在量子世界中,電子以電子雲的形式存在。 在量子世界中,電子不像我們所熟悉的物體那樣穩定地存在於特定位置。相反地,它以一種動態的、流動的形式存在,我們可以將其比喻為一片電子雲。這意味著電子似乎不斷地在原子核周圍快速地出現和消失,而且在未被觀察時,它不會停留在一個確定的位置。當我們觀察它時,它才會顯現出特定的位置和特性,這就是量子世界中電子的奇特之處。

    如果你看到這裡還似懂非懂,請不要擔心,因為即使是我們最聰明的科學家也尚未完全解開量子物理學的所有謎團。 正因為如此,電子仍然是奇特的存在,它們在時間和空間中的位置總是不確定和危險的。

    蘋果的反射率曲線

    圖6:古典物理學中對電子軌道的描繪

    蘋果的反射率曲線

    圖7:量子物理學中的電子雲

    光既是粒子又是波

    光就像網球一樣可以反彈,所以它照射到牆壁或鏡子上,也會被反射,這顯示出其粒子的特性。 雖然我們看不見光的粒子,但根據它們的行為,例如在光照射物體時產生的光學效應,我們推斷光具有粒子的性質。

    光同時也是波,雖然我們無法將光視為像水波一樣的波浪,但是根據其行為,我們知道它具有波的性質。 有一個著名的實驗叫做雙縫實驗,光線穿過兩個狹縫,結果出乎意料地與水波穿過相同的兩個縫的情況非常相似。 因為光既表現出粒子又表現出波動的行為,人們認為光既是粒子又是波。

    蘋果的反射率曲線

    圖8:光子 每個光子都帶有一個顏色波長。

    使用光譜儀來區分光的粒子和波型態

    光譜儀可以測量並觀察到光的粒子和波動兩方面。 光由稱為光子的粒子組成。 光譜儀或照度計可以透過測量 LUX 或 PPFD(生長燈)來計算光線中的光子數量。 LUX越高,表示每平方公尺照射到的光子數量越多。

    光譜儀是一種精密的照度計,也可以測量波,這些波具有與特定顏色相關的頻率。 藍色有較短的頻率,而紅色則有較長的頻率。

    每個光子都有一個與之相關的波長頻率,這決定了它的顏色。光譜儀測量到的光譜可以顯示出光線中每種可見顏色的相對光子數量。

    圖11:藍色的頻率較短,紅色的頻率較長。

    LUX

    圖9:LUX的測量單位為每平方公尺的流明。

    蘋果的反射率曲線

    圖10:光譜儀所測量的白熾燈及LED燈光譜

    結論:揭開光的神秘面紗

    光是能量的釋放,就像拉斷的橡皮筋一樣。 你必須理解被推到較高位能的電子軌道。 由於其存在的不確定性,電子很容易回到它們的自然狀態(低位能軌道),以光子的形式釋放能量。 現在我們了解到光不是理所當然的存在,而是這數十億電子持續上升和下降的過程而產生了一股光流。

    任何人都可以成為科學家!

    圖 12:所有照明都利用從高軌道墜落的電子來產生光子。

    MK350S and Wing 無線遙控卡

    圖13:MK350S Premium全方位多功能光譜儀

    MK350S Premium是 UPRtek的全功能分光式光譜儀。

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    什麼是光譜儀、分光光度計、分光輝度計/ 輻射計?

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