光與物質 (Light & Matter) - 深入了解自然奧秘

如果我問你, "現在你所處的房間內, 有哪幾樣東西是你真正能看得見的?" , 你一定會覺得莫名其妙, 然後認真的開始在那裏算著並同時回答我說 "桌子, 椅子, 電腦螢幕.....等等" 我說你不用算了! 因為答案是, "一個!", 只有一樣東西是你眼睛真正能看見的, 那就是"光"! 我們的眼睛, 並不能偵測物質在空間的分佈與所在, 我們的眼睛, 只能感測光線的存在, 如果世界沒有了光, 我們就等於沒了視覺, 就會變得跟瞎子無異!

那麼什麼是光呢? 這個問題人類問了兩千多年, 但直到 17 世紀開始才有了比較清楚的概念與系統性的實驗和研究, 並在後來 18 世紀發展出透鏡等光學技術的應用, 簡單說那時候認為光是一種波動. 之後進入19 世紀, 配合電磁學研究的突飛猛進, 人類開始用不一樣的系統架構來看待光, 就像電子一樣, 光也被發現具有粒子的性質, 所以光的基本成分就又被叫作叫是光子, 或光量子.但是真正第一位能說清楚並完整解釋光的物理性質的人, 是英國的物理學家 Maxwell, 他說, 所謂的光, 其實就是一種電磁效應. 從此以後光跟電磁扯上關係, 光波又被叫作電磁波, 而且 Maxwell 所推導出的四條電磁場方程式對所有的光波都適用! 從此人類進入光電時代, 原來光和電是一家人! 有光必有電, 沒電必無光! 有了電子的各種運動, 這世界才有電磁波, 也就是光!

所以光到底是波動, 還是粒子呢? 答案是兩者皆是, 這是兩代量子力學家們接力研究之後所發現的! 而且不只是光具有這種粒子與波的二重性質, 所有運動中的粒子也都具有波的性質, 叫作物質波! 那光其實是物質的ㄧ種囉? 叫光子嘛! 錯! 光不是物質, 光就是光, 獨立於物質之外, 所謂的物質其定義是(1)佔有空間(2)具有質量, 能同時滿足以上兩條件的才可以被稱作是物質, 光子不具質量, 只有能量, 也不佔空間! 近年來比較新的說法是把光子歸類為 Boson 類的虛粒子, 是各種場力交互作用的媒介, 具有從能量換算來的等效質量. 而另一種很有意思的說法則是把光子描述成攜帶著濃縮電磁能的脈衝彈, 其實使用這些類比與形容詞只是想用來幫助你的想像增進你的了解而已, 光子真實的長像為何誰也沒見過, 要完全且具體的了解只能靠數學!

說完了光子再來說光波. 所謂的波是一種具有周期性變化的律動方式, 自然界有許多運動和現像是以波的方式呈現出來的, 比如說大多數的能量(光, 熱, 聲音等等)在空間中的傳遞, 就是以波的形式傳送! 而根據傳遞時需要介質與否, 波又可分為縱波(又叫機械波)和橫波, 比如說聲音是縱波(其實就是傳遞介質粒子的壓力脈衝運動), 而所有的電磁波都是橫波. 不需要介質, 能跨越真空! 光的運動方式像波, 但攜帶的電磁能量卻又屬於是不連續性的量子化模式, 所以光子才又被稱為是光量子! 光波的本質是電磁波, 那什麼是電磁波呢? 嘿嘿! 電磁波就是電場和磁場交替震盪下的產物, 周期性的電場強度變化會產生相對應的感應磁場(感應磁力, 電動馬達原理), 而周期性的磁場強度變化又回頭產生相對應的感應電場(感應電流,發電機原理), 如此生生不息, 無止境的在真空中傳遞下去, 除非撞到物質被吸收或被反射,散射等等...要注意的是, 靜止中的荷電物質只能建立環繞其周圍的電場, 叫作靜電場, 要運動中的荷電物質才能產生磁場, 所以換句話磁場其實就是因為電子運動造成電場畸變下的互補力場, 我學生時代有句口訣可以幫助記憶: "靜電不生磁, 要動電才能生磁!" 所以光波就是一種電磁效應的產物, 而電磁效應又是因為電子運動造成的, 所以歸根究柢, 這一切都是因為電子! 我們要尊敬電子, 因為沒有電子的話, 這宇宙就沒有光, 沒有元素, 沒有化學反應, 最後當然就沒有生命! 我以前當助教曾問過老美學生, 我專挑美麗性感的金髮女孩問, 如果世界沒有電子的話會怎樣? 她們回答我的答案是: "不能用 iPhone , 沒有電腦, 沒有電音, 沒有電器..." 等等令我啼笑皆非的答案! 所以請記住, 電生磁, 而電磁合在一起又生光, 所以光,電,磁, 三位一體!

談完了無形的光, 我們來看有形的物質. 宇宙中所有有形的物質都是由原子構成的, 每一種原子, 構成一種化學元素, 不同的化學元素互相鍵結起來, 就構成分子, 比如說蛋白質分子, 水分子等等, 這些分子之間的合綜連橫排列組合, 就構成了有形的物質, 包含了你我的身軀與各種礦石結晶, 氣體流體等等.... 所以要徹底了解各種有形物質間的物理化學反應與交互作用, 就必須去深入了解它們的分子結構與原子結構, 和如何形成這些結構的來龍去脈等故事! 所以我們從原子講起!

原子的構造是有一個原子核在中間, 然後有若干數目的電子分佈在原子核外的立體空間裏頭, 這些充斥著電子的核外空間以某種幾何形狀包圍著原子核, 量子力學的術語稱其作電子軌域, 每個電子軌域從概念上講類似一種獨立空間, 就像高樓大廈的樓層, 每個不同的電子軌域只允許固定數目的電子存在, 電子除非獲得額外能量, 否則不能離開自己的軌域, 就好像是被禁錮在自己家中一樣, 住在原子核外的電子數目越多, 相對應的在原子核中的帶正電粒子, 稱作是質子的數目也就越多, 這原子的直徑就越厚, 原子就越大! 而影響原子與原子間的交互作用, 主要就是這些分佈在原子核外空間的電子群們, 當兩個不同的原子從無限遠處開始相互靠近時, 其住在最外層電子軌域的電子扮演著非常重要的角色, 比如說氯原子與鈉原子, 其最外層的電子軌域都只各住一個孤獨的電子, 沒有住滿, 叫作價電子, 這些價電子都有傾向從外界捕獲一個電子來湊對, 來填滿這個價電子軌域, 於是當氯原子鈉原子靠近到一定距離時, 最外層電子軌域的幾何空間發生變化, 軌域的能量與能階重新分佈, 量子力學術語叫軌域混成, 新形成的混成電子軌域介於兩原子之間, 擁有各自原來的原子的價電子, 從此再也不分開, 就像結婚一樣! 如果想要拆散這對新配對成功的電子戀人, 除非有外界提供能量, 否則這個新形成的電子混成軌域, 就會一直安定的存在下去, 我們叫這樣新形成的混成軌域, 為"化學鍵", 而化學鍵又依據其形成的電子來源方式與能量不同可分成好幾類, 鈉原子與氯原子形成的這種叫共價鍵, 而新結合在一起的鈉氯分子叫氯化鈉, 就是你常吃的鹽巴! 整部量子力學最了不起的地方就是完整的描述了這些電子軌域的分佈與能階能量密度等狀態, 讓我們能依此推算並預測原子或分子內電子單獨的活動或成群電子們間的互動, 影響所及, 包括化學反應預測, 化學分子結構預測, 有機合成, 材料科技, 奈米科技, 遺傳工程, 雷射科技, 發光二極體LED 等等, 都拜量子力學之賜! 所以量子力學影響了整個 20 世紀的物質文明, 一直到現在! 但歸根究底玩來玩去的, 其實就是一個東西: "電子"!

當一個元素或化合物分子成安定狀態時, 其原子或分子內部的各個電子軌域裏住的電子們, 也安安份份的以一種類似駐波的方式安靜的運行著, 但一旦有能量傳遞進來, 特別是以波的方式進來, 電子們的活動方式就會呈現各式各樣不同的改變, 而這些發生改變的電子活動和入射能量的大小與入射角度有關, 後果就是造成我們所看到自然界裏林林總總的光電效應和物理現象. 所以知道光與波的本質, 再加上了解物質的結構, 就成了現代人非常重要的基本知識, 有甚麼用呢, 以下聽我慢慢道來!

光是電磁波的ㄧ種, 電磁波依照其波長不同, 由長波一直排列到短波, 就構成所謂的連續電磁波譜, 比如說無線電波的波長範圍從幾公里到幾十公里, 是波長最長的電磁波, 然後波長短一點的是微波, 再短一點是短波, 再來是紅外, 然後就進入可見光範圍, 從紅橙黃綠藍靛紫再到紫外, 再來就是X 射線, 加碼射線等等(這裏區分的比較粗糙), 構成物質的化合物分子內的分子軌域其能階構造與電子分佈, 依物質種類各有不同, 有的電子所處的能階可以在吸收某種波長能量後將電子躍遷到較高的能階, 然後再馬上讓電子降回原能階並完全放出同樣波長的能量, 有的則會讓電子進入不穩定能階待一段較久的時間後再回到比原能階高或低的不同能階待著, 有些則只會讓電子發生共振, 有些甚至會讓整個分子發生共振, 電子從高能階降至低能階, 就會將多餘的能量以特定頻率的電磁波輻射出來, 電子在不同的能階中來回移動著, 動電生磁, 於是就會輻射出電磁波, 電子來回移動(或者說是振動)的平面就是其所輻射出電磁波的偏振面(電場向量分量), 這些都是非常重要的知識! 比如說為何有些物質是透明? 有些物質會散射光? 有些會偏光, 有些會發螢光或是磷光? 有些會吸收光等等, 全都是跟電子在分子或原子內的運動方式種類有關, 有的也跟整個分子的運動和其結構有關!

所以我們現在來整理一下, 或許這樣說, 會比較容易了解:
當光照射到物質時, 由於光就是一種傳送中的電磁能量, 所以被照射物質與光的交互作用, 就與這個物質本身的原子分子結構和照射這個物質的光所帶的電磁能量大小和入射角度有關. 那是怎麼樣的有關呢? 因為構成物質的分子和原子本身就有ㄧ些固有的內在活動, 比如說原子核和電子的自旋, 電子本身在電子軌域裏頭的移動等等, 而且這些運動到了分子的層次就更加複雜, 除了原有的電子在電子與分子軌域裏頭的運動外, 現在又多了分子層次的運動, 像是在同一分子裏頭不同原子之間的相對運動, 有些是以化學鍵為轉軸的轉動, 有些是化學鍵本身像彈簧伸縮般的震動, 有些是整個分子團的平移, 而如果物質分子是以形成晶格方式存在的固體的話, 那就又包含了以結晶格為單位的晶格震動....等等, 可以說, 原子和分子的世界完全不是靜態的, 是很熱鬧和忙碌的運動著! 所以當入射光線的能量和其中任何一種原子或分子內部的活動所需之能量相同或近似時, 就有部分或全部的入射光能量被吸收以用來改變原有的原子分子內部的運動狀態, 而運動狀態改變的結果也很複雜, 大部分不是將入射能量以原封不動的方式再回吐出來, 就是以化成熱分子運動的摩擦動能來增加系統的溫度與內能. 只有當極小部分入射能量和角度是 exactly matched 的入射光, 才會被"被照射物質"完整的吸收掉(以進行某些理化反應, 比如說光化學反應...), 不再被回吐重射出來. 如果你完全沒有自然科學的背景, 到目前為止還能看得懂以上我所描述的, 我就心滿意足了! 今天先寫到這裡, 明天再講下一個主題: "顏色"

其實我們常講的光, 應該要改稱可見光, 因為這是以我們人類的視覺為定義的, 可見光範圍只占整個電磁波譜的ㄧ小部分(約 380 ~ 760 nm 之間), 這些不同波長的可見光進入我們眼睛, 經過水晶體聚焦到視網膜之後, 被視網模上的三種錐狀感光細胞 (cone cell) 吸收並轉成電訊號, 再經由視神經傳送到大腦視覺區產生影像與顏色. 所以物質的顏色是由我們大腦定義產生的, 並不是物質的基本性質之一. 而人類眼睛中的三種 cone cells 分別可以接收屬於紅光, 綠光, 和藍光波長範圍的可見光, 所以人腦中的紅橙黃綠藍靛紫等各種顏色的感覺, 就是由這三種 cone cells 所回傳的接收訊號強度比例在大腦視覺區中混合後而來的, 有趣的是這三種 cone cells 在視網膜的數目不是均等的, 綠光 cone cell 的數目約占全體 cone cell 數目的 50%, 而紅光和藍光 cone cell 數目合起來占另外的 50%, 這就是為什麼我們眼睛對綠色光敏感, 因為同樣輻射強度的綠光和紅藍光, 我們會覺得綠光要比紅光或藍光亮 10 倍. 不要小看這件事, 人類對綠光敏感可能是因為我們的祖先在樹上生活演化的結果, 另外人眼對不同可見光波長有不同的敏感度這件事實也影響了照明科技與室內裝潢採光學的的發展, 在光學裏有一門分支叫作 " Photometry (光度學) " 就是研究這個的! 所以當我們看到一個物體是" 某顏色 " 的物理意義, 就是意謂著說有 " 某顏色 " 的複合可見光波從該物體發出並進入我們眼睛裏頭被 cone cells 所接收, 如果完全沒有可見光波從該物體反射到我們眼睛, 則我們看該物體就是黑色的, 如果所有可見光波長範圍的電磁波都從該物體反射到我們眼睛, 則我們看該物體就是白色的, 如果所有可見光波長範圍的電磁波都能入射並穿透某物體再到達我們眼睛, 則我們看該物體就是透明的. 值得一提的是所謂透明這件事, 你所看到的可見光和原來入射透明物體的可見光並不是同一道光, 比如說像玻璃, 水晶, 透明壓克力等物質, 當可見光照射到它們的分子晶格時, 先被第一個水晶分子的外層電子吸收, 再馬上以相同原能量吐出給鄰近的水晶分子, 第二個水晶分子也以相同反應吸收後再吐出給第三個水晶分子, 如此像鏈反應式的ㄧ直傳遞到最後一個水晶分子, 最後那道光就輻射出離開透明物體再到達你眼睛, 所以其實你看到的已經是重射光了, 在這不斷吸收與再重射的中間過程中可能會有ㄧ些些相位和振幅強度等的改變, 這就是為何有時你看這些透明物質會亮晶晶閃爍 Bling Bling 的原因! 物體的重射光還有另一個重要的例子, 就是大氣分子的散射!

散射 (Scattering) 不同於漫射 (Diffuse Reflection), 雖然兩者造成的結果很像, 都是把光線轉向到四面八方, 但物理原因大不相同! 散射牽涉到分子軌域裏頭的電子群對外來電磁波的吸收與同等能量的重新再射出, 涉及到分子內部的反應, 而漫射只是因為物體表面凹凸不平, 將入射光線向四面八方反射出去而已, 完全不是重射光, 也不涉及到分子內部的活動. 而且物體散射電磁波的能力和該物體顆粒的大小有關, 物體顆粒越小, 越能散射高頻率的電磁波, 物體顆粒越大, 越能散射低頻率的電磁波, 這就像是越短的音叉發出的是越高的音, 越長的音叉發出的是越低的音一樣! 當我們的天空萬里無雲很乾淨的時候, 這時候大氣中主要充斥著的是氮分子與氧分子, 這些氣體分子是屬於非常微小的顆粒, 能散射高頻率的電磁波像是紫外線與紫光和藍光, 之後隨著波長越長散射能力越差, 到了紅光, 其能被氧分子和氮分子散射的程度只剩紫光的 1/10, 又因為我們人類眼睛對越靠近紫光的波長越不敏感, 對越靠近綠光的波長越敏感, 所以即便是天空中充滿著被散射的紫光與藍光靛光, 我們大腦只能主要識別出藍光, 這就是為何天空是藍的! (如果由機器來看天空則天空其實是紫色的) 而雲是由各種大小的水滴顆粒所組成的, 所以各種波長的可見光都能散射, 總合到我們眼睛之後, 就變成是白色, 所以浪花, 雲朵, 噴泉, 雪花, 冰晶, 水蒸氣等等由各種大小不同懸浮水分子顆粒所構成的物質就是白色的. 當大氣中有許多汙染物質比如說煤灰等懸浮粒子時, 因為這些懸浮粒子都很大, 主要散射的是紅光等長波長可見光, 再加上有些懸浮粒子或粉塵本身就是灰色黑色等吸光物質, 所以天空看起來就灰紅灰紅的, 但一陣大雨之後, 這些懸浮顆粒被洗入地面, 所以天空就又恢復成藍白色的! 至於說為何清晨和黃昏天空看起來是紅色的? 這主要是因為兩種原因, 一個就是藍光比較容易在途中就被散射掉, 到達不了目的地, 而紅光被大氣分子散射掉的少, 所以最後到達目的地多半是剩下的紅光波長, 另一個原因是折射. 大氣層就像是一層三菱鏡包圍著地球, 藍光偏折角度大, 紅光偏折角度小, 紅光比較接近原來直線進行的方向. 至於為何是清晨或黃昏的時間? 這是因為這時間光要走的路徑最長, 光路徑一長, 散射和折射的效應就明顯了,否則短短的路徑就區分不出來! 颱風要來之前或是火山噴發前天空也會變成紅色, 這些都是因為大氣受到外力擾動,天空大型懸浮顆粒增加之故!

以上所提的是可見光對由水分子所形成大小不同的懸浮顆粒的散射效應, 是在空氣中會發生的. 那當水氣越聚越多, 最後凝結成液態水時呢? 這時由於分子之間的密度大增, 水分子彼此間的距離靠近且互相影響, 就沒有什麼散射了! 這時發生的主要是對電磁波能量吸收的效應! 液態水能吸收靠近紅光波長附近的電磁波能量, 主要就是紅外光部分, 所以當很多水在一起的時候, 入射可見光中的長波長(靠近紅光部分)逐漸被吸收掉, 剩下來沒有被吸收掉的, 能到達你眼睛的就剩藍綠光而已, 這就是為什麼大海和湖泊水庫等看起來是青色的原因. 這造成一個有趣的結果, 很多海洋底棲生物的顏色是紅色的, 為什麼? 因為海水越深, 紅光越少, 而所謂紅色物質意味著只反射紅光而吸收其他波長的可見光, 所以如果海底生物長成紅色, 那就跟隱形了差不多, 因為沒有紅光可以被反射回來到獵食者的眼睛! 但如果你長成青綠光顏色, 那就會很醒目. 所以深海的生物, 要求偶的要引起注意的, 都是青綠色的殼或鱗, 要躲避天敵匿蹤的, 都是紅色的殼或皮, 像是帝王蟹, 深海大魷魚等等. 另外還有一種會變色的深海大章魚, 遇到強敵時皮膚會變成赤紅色, 於是很多漁人搞不清楚就宣稱是章魚暴怒, 要發出恐嚇敵人的紅色, 這完全是以人類的主觀意識強加於生物的行為之上, 其實皮膚變成紅色只是要匿蹤方便逃跑而已! 所以我們也可以專業術語的說法來這樣說, 在可見光"光源波長種類"不足的條件下, 物體的演色性 (Color Rendering) 很差!

至於液態水所吸收掉的紅外光電磁波能量要拿來幹什麼? 答案是變成水分子轉動的動能! 每一個水分子都是角狀分子, 在水中就像是ㄧ朵朵的風車緩慢的轉動著, 而物質的溫度就是該物質分子群的平均動能, 這平均動能裏頭就包含了該物質分子群各式各樣的運動像是分子轉動, 分子鍵振動, 和分子團平移等等, 所以水分子轉動越快, 就代表水的溫度越高. 而當太陽光照射到水面, 陽光裏頭的紅外線部分就是造成水溫上升的主要原因. 另外家用微波爐也是運用類似原理, 家用微波爐用的是波長 12.2 公分的微波, 其頻率為 2450 MHz, 是比紅外線波長還要長, 能量還要低的非游離性電磁輻射. 傳統食物加熱不管是烤箱還是電爐還是瓦斯爐火焰, 靠的主要都是紅外線來促進 Target 分子群們的分子轉動與振動, 而紅外線不只能被水分子吸收, 世上大多數物質的分子的轉動和振動, 以及固態結晶格的晶格震動等等, 其能量範圍也都多半落在紅外線周圍附近, 所以不止水分子能夠吸收紅外線被加熱, 空氣分子也能夠吸收紅外線被加熱, 裝盛食物的器皿分子也能夠吸收紅外線而被加熱(其實我們所謂的熱輻射就是紅外線輻射, 地震後的生命探測儀, 就是紅外線接收儀, 只要那裏還測得到體溫, 就表示那裏還有生還者, 不論人或動物!), 於是紅外線要一層一層的熱透完畢才能到達食物的內部深處的分子, 所以加熱時間長, 熱散失多! 而家用微波爐所發出的是比大自然的紅外線能量還低的電磁波, 這個微波的能量不夠大到像紅外線一樣, 使世上絕大多數物質的分子加速轉動, 造成提高分子平均動能而升高系統溫度, 但是這個家用微波的能量大小, 還是足以轉動水分子, 因為水分子很小很輕, 而且妨礙水分子間彼此轉動的氫鍵強度, 剛好就對應到家用微波的能量範圍, 所以在微波爐中, 只有水分子能夠受家用微波的影響而吸收微波的能量, 並打斷水分子間的氫鍵而轉動起來, 至於其它的非水分子則不受家用微波的影響, 遇到微波就放微波通過, 於是水分子在這個共振頻率下積極的震動, 就像發了瘋似的抖動起來, 連帶著拉扯其周圍的非水分子也抖動起來, 分子間產生激烈的碰撞和摩擦, 而帶動全體分子的運動, 所以一下子大家都抖動了起來, 這樣平均動能就很快上升, 而且熱散失少, 加熱效果直接! 這種情況有一個專業術語, 就叫 Energy Delivery Directly!

最後忘了說明一點, 就是為何微波爐不能放入含有金屬的物質一起加熱? 因為微波會讓金屬物質產生局部的"感應渦電流"而導致金屬物質溫度快速上升(幾分鐘內就可以將局部金屬表面增溫到攝氏兩百至五百多度, 所以其實很危險), 甚至如果金屬物形狀有尖尖的部分還會造成尖端放電或產生電弧與火花, 所以微波爐的使用是有安全顧慮的, 如果你不懂微波原理, 什麼亂七八糟的東西都放進微波爐加熱的話, 是會產生危險釀成巨災的! 總之使用前要小心查清楚, 微波爐只適合加熱那些含有水分的食物而已!