接下来我们要为各位介绍光与物质的交互作用的最后一个部分，放光。

在这个世界上我们能看得见的光呢它的来源绝大部分都是下面这两种。

第一种是所谓的热辐射，这意思呢是因为有温度的关系呢使得材料中的电磁在作加速度的运动。

这些电荷的加速度运动会放出电磁波来，形成我们肉眼看得见的光。

例如阳光就是我们生活中最容易看到的热辐射的来源，另外一种光的来源是称之于能阶跃迁。

例如在很多材料里面呢它的分子能阶之间，如果有受到激发产生跃迁，在掉下来的过程里面呢会产生放光。

这个呢在世界上会有很多萤光的材料呢就是属于这种能阶跃迁。

或者呆会跟各位介绍有些生物放光的现象呢也是属于这种能阶跃迁。

我们首先从热辐射开始为各位介绍，

热辐射的基本概念第一就是只要有电荷在做加速度运动呢，它就会放出电磁波。

第二个基本概念是，基本上所有的物质都是由原子分子所组成，而这些原子分子中呢都充满了带电的粒子。

因此呢在第三个基本概念就是，所谓温度它的微观定义就是这些原子分子的动能。也就是说这些原子分子都在运动，把这

三个概念结合起来呢，你就可以理解，只要这个物质不在绝对零度，

所有的物质中的原子分子都在运动，这些带电粒子的运动呢就会放出电磁波，这个就是所谓- 热辐射的

来源。刚刚提到热辐射的起源，我们在地球上可以看到最主要的热辐射源就是太阳。

太阳的表面有非常大量的原子分子被加速运动，而形成了很强的热辐射。

这也就是我们目前在地球上得到最主要的光的来源。

我们这一段要为各位示范一下黑体辐射的波长位移，

所以在这个地方呢我们有准备一个灯泡，这个是一个钨丝灯泡，

呆会加电压的时候呢，电压跟电流逐渐增加会使得钨丝的温度逐渐增加，

而使得热辐射的波长一直往短波长位移。所以我现在开始增加加在这个钨丝灯泡上面的电压。

所以你可以看到一开始这个灯泡完全没有任何颜色，

然后当我们加到大概14V的时候呢开始暗淡的红色出现，

事实上在这个时候光谱上你可以发现绝大部分的光，其实是落在红外光的部分，

真正落在可见光的只有一点点，这就是为什么现在看到的是一个非常暗淡的红光。

我们再把电压逐渐增加，这时候你可以看到颜色从红色

逐渐改变成桔色，在光谱以上呢你也可以看到相对应的位移。

光谱的颜色会一直往短波长偏，然后呢我们再把电压逐渐增加，这时候你会看到它变成黄色。

然后在光谱上面你可以看到波长持续往短波长偏移。

我们不断把电压往上增加的结果呢？整个灯泡会变成白色而不是绿色，

为什么呢？直观上想想，好像应该会从红橙黄绿的颜色演变下去，但是事实是上因为黑体辐射是一个非常宽频的辐射，

所以，红色、黄色、绿色这些波长同时产生的结果叠加在一起，你看到就是一个偏白色的波长。

那我们这时候呢在光谱以上基本上可以看得到呢它的发出波长范围内，已经涵盖了整个可见光范围。

关于解释热辐射这件事情呢，事实上引起了近代物理的一个非常大的革命

那在这个部分呢我们只很简短的提到这件事情，所谓的近代物理的革命呢，是因为Planck为了解释黑体辐射而在传统热力学方程式中引-

入了光子的能量， hc/λ。这个是他用来解释黑体辐射的

方程式，其中C是光速，λ是波长， h是所谓的Planck

constant，k则是Boltzmann constant，t是温度。

这个方程式非常非常有趣，它基本上包括了三个近代物理里面最重要的常数，也就是h、c跟k。

那黑体辐射呢有一个特性是，

当材料的温度越高的时候呢黑体辐射的波长呢会越往短波长偏移。

可是呢，黑体辐射整体来说落在可见光的部分通常很低，

因此呢我们可以看到早期的所谓的钨丝灯泡，它的可见光的效率其实是非常差的。

我们把可见光的效率定义成可见光的部分占总放光能量的比例，在钨丝灯泡中呢一般来说

钨丝会被加热到3500k，也就是在这个图中呢最右下角的这个曲线。

在这个3500k的曲线里面你可以看到它的峰值，事实上

是落在大概800nanometer左右，这样子的一个黑体辐射，这样的一个热辐射

的放光区段呢在可见光的部分，事实上总能量效率只占所有放光的2%，

因此钨丝灯泡用来发可见光是一个非常没有效率的作法。

就算我们的阳光它的表面温度大概5500k，落在可见光效率的比例呢也只有14

percent。绝大部分的能量呢事实上是落在红外光的区域，所以我们可以这样想这件事情，

如果生物跟生物之间呢要使用光来互相沟通，用热辐射显然不是一个很有效的作法，一方面是你的温度必须要拉高到

3000k到5000k才能够达到可见光的一个波段。

另一方面呢是这个可见光波段的能量呢效率真的是太差了，

所以如果生物体要互相沟通的话，最好有其它的方式来发光。

所以刚刚提到另外一种，我们在世界上会看到光的机制呢就是所谓的分子跃迁

造成的机制，而且一般呢就是指所谓的萤光或是生物发光的机制。

我们稍微先聊一下，什么叫做能阶跃迁而放光，右边这边呢是一个一般分子的能阶图，

下面是所谓的基态，上面是所谓的激发态，平常没事的时候呢分子大部分会停在

基态的位置，能量比较低的位置。而当外部有激发能量进来有可能是光有可能是化学能，

的时候呢，这个分子会跃迁到比较高的能阶，然后过一段时间之后呢会自己掉下来而放出一个- 萤光分子，

这个就是所谓的能阶跃迁的放光。萤光弱生物放光的机制比起黑体辐射来说最主要的好处

是在于，这个放光可以完全集中在可见光，因此它的可见光效率比起黑体辐射

来的高非常多。那在这个部分呢我会做一个示范实验让各位看到萤光的一个现象

在萤光的过程中呢能阶的向上跃迁，有的时候是由另外一道光来提供，

我们接下来用雷射笔跟萤光笔的萤光染剂呢来为各位示范一个萤光的过程。

现在这杯水仍然是一杯白开水，所以我们把镭射光打进去的时候你可以非常清楚的看到

绿色的镭射光束，我们用平常使用的萤光笔，把笔芯抽出来之后呢，

装在这个水里面搅拌一下，你可以看到有很多萤光染剂的分子很迅速的

溶解到这个水中，我们用的是一只桔红色的萤光笔因为桔红色的原因，就是它会吸收绿色的镭射光，

而吸收绿色镭射光之后呢，会在水中产生桔色的萤光。

我们很简单的用一个实验让各位证实，所以你可以看得到刚刚在水中的绿色光柱，

现在很清楚的变成桔红色的光柱，这就是吸收绿光产生桔红色萤光的结果。

除了萤光染剂之外呢很多生物体也有自发的萤光。

有一个非常有名的例子是水母中可以提炼出来绿色萤光蛋白，

这个绿色萤光蛋白呢目前已经在生物研究跟医学研究上呢发挥了非常大的功用，

因为你可以把你有兴趣的分子，粘上这个特定的萤光蛋白而可以表现出来绿色的萤光。

这样你就可以在一大堆生物分子之间呢找到特殊的你想要看的分子，

这是绿色萤光蛋白非常有用的地方。这个发现绿色萤光蛋白的科学家们呢也在2008年获得- 诺贝尔化学奖，

事实上这个绿色萤光蛋白已经造成了生命科学的另外一波的新的革命。

而跟刚刚萤光染剂不一样的地方是呢在生物放光中很多时候，

能阶的向上跃迁是由化学能来提供，不是由另外一道光来提供。

尤其多的是在海中，在海中有非常非常多的生物会放光，或许你有看过类似这样的照片，在海中的海藻随着海浪打上来

时候会把整个海岸染成会发蓝色或绿色萤光的一个情况。

在下面这边呢有一些有趣的影片，欢迎各位可以自己上网去点阅有非常多关于海中生物荧光的一个影片。

最后是这一小节的随堂测验。请问？是不是任何材料在放光前都必须要先吸收光才行呢？

1、是正确。2、是不正确。接下来是这一讲的作业，

我们在第二讲的第一部分呢，提到Fresnel方程式但只有讨论正向入射的情况。

请你找出在入射角不是直角的时候的Fresnel方程式，也就是要找出穿透率与反射率和入射角之间的关系。

第二个作业是，请问我们看到的月光是太阳光被月球1、反射。2、折射。

3、散射。4、吸收。5、放光。而产生的结果。

第三题的作业是请问为什么红叶是红色的呢？这跟光和物质交互作用哪一个有关系？

所以1、是红色光被散射，2、是绿色光被散射。3、是红色光被吸收。

4、是绿色光被吸收。第四题是麻烦各位上网找出叶绿素的吸收光谱

并且说明为什么叶子看起来是绿色的。下一题作业是

请问下列哪一个现象和白光通过棱镜后会出现七彩颜色的原理相同呢？

1、天空是蓝色的。2、电脑液晶萤幕呢是由红蓝绿三种像素所组成。

3、CD或是DVD上可以反射出七彩的颜色。

4、笔直的铅笔放入水杯中会看起来像是转了个弯 5、阳光在水面上反射出波光潋滟。

接下来这个是一个关于生活现象的作业，如果你在火车里面拿相机想要拍车窗外的景象

往往你会发现相片中会有相机镜头出现。

这是为什么呢？1、光的反射。2、折射。3、散射。4、吸收。

5、放光。另外我也邀请你想想看，有没有办法可以消除这个现象呢？

最后一题作业是从量子的角度来说，萤光是吸收一个光子，放出一个光子的反应。

请问当我们用雷射笔照射萤光染剂溶液时候，溶液的温度会增加吗？ 1、会。2、不会。3、看情况。

最后一个是一个自我挑战的作业。

我们在这一讲的最前面提到的所谓的Rayleigh scattering

就是雷利散射，它和波长的四次方成反比请你试着证明看看这个和波长四次方反比的

一个原理。那这里有个提示是，你可以从原子中的电子受到正弦波形式的振荡电场激发

而造成的运动方程式开始。试着解出一个四次方的关系。

放光

基礎光學 I

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