跳到主要內容

科技大觀園商標

分類項目
Menu

光與能量

110/09/30 瀏覽次數 336

陽光、空氣和水是在生物界中,普遍被認為是能夠生存的三大必要條件,我們今天要來介紹的便是三大要件中的「光」。在我們日常生活中,無論是陽光還是燈光,都能帶來驅散黑暗和恐懼的效果,然而,其實光跟微波爐的微波、醫學用的 X 光……一樣都屬於電磁波的一種,只是我們所能看見的光在科學上是屬於可見光的範圍,波長範圍是 400 nm~700 nm。而在這個範圍之外的電磁波,在分類上屬於不可見光,波長少於 400 nm 的光,就是我們常聽見的紫外線;波長大於 700 nm 的光,就是紅外線。而將全部的電磁波波長綜合在一起,即可得到一個電磁波譜圖,如下圖所示。

電磁波光譜圖教具

圖一:電磁波光譜圖教具

可見光

可見光是指波長在 400 nm (380 nm)~700 nm(750 nm) 的電磁波,正常視力的人眼對 555 nm 的電磁波最為敏感,對應的光學顏色即為綠色。

顏色

波長

紫色

380~450 nm

藍色

450~495 nm

綠色

495~570 nm

黃色

570~590 nm

橘色

590~620 nm

紅色

620~750 nm

紅外區

1. 紅外線
紅外線的波長介於可見光與微波之間,為 760 nm~1 mm,是波長比紅色更長的不可見光;我們可以利用儀器主動發射紅外光打在物體上,並分析反射回來的紅外光並轉成可見光譜圖,從而在夜間視物,這就是簡單的紅外線夜視儀。

紅外線照片

圖二:一隻狗的紅外線照片。圖/NASA/IPAC

2. 微波
微波的波長在 1 mm~1 m 之間,是長於紅外線且短於無線電波的一種電磁波,例如家裡常用的微波爐就是利用微波的一種工具;微波爐會透過微波的電場震盪,使食物中的分子跟水產生振動,進而提高溫度,達到加熱食物的效果。

3. 無線電波
無線電波的波長範圍是指 1 m 以上的其他區域,因為它的波長很長,遇到障礙物容易繞射,而且大氣層中的電離層可以幫助反射,因此在應用上常被拿來傳遞訊號。最近在資訊界短距離資訊傳輸使用的無線通訊包含:無線區域網路、 Wi-Fi 與藍芽還有手機通訊的 GSM 與 UMTS。

紫外區

1. 紫外線
紫外線的波長是指在紫色到 X 射線之間的範圍,為 10 nm~400 nm,太陽光中含有部分的紫外線,分別為 UVA、UVB 及 UVC

名稱

波長

UVA

320~400 nm

UVB

280~320 nm

UVC

100~280 nm

  • UVA:可穿透雲層、玻璃進入室內及車內,可穿透至皮膚真皮層,會造成曬黑。
  • UVB:會被臭氧層所吸收,會引起曬傷及皮膚紅、腫、熱及痛,嚴重者還會起水泡或脫皮,但又由於可被臭氧層所阻隔,只有少量會到達地球表面。
  • UVC:可穿越大氣層的波長介於 200~280 nm,其波長越短、越危險,不過由於臭氧層可以完全阻隔 UVC,所以地球上所有生物不會被 UVC 傷害。
     

2. X射線
X 射線的波長為 0.01 nm~10 nm,X 射線最初用於醫學成像診斷和 X 射線結晶學。

胸腔照射x光

圖三:胸腔照射 x 光。圖/Wikimedia

3. 伽瑪射線
伽瑪射線是原子衰變裂解時放出的射線之一,波長在 0.01 nm 以下,穿透力很強,又攜帶高能量,容易引發細胞突變,所以也可以做醫學用途,ex:伽瑪刀

波長、頻率與能量的關係

1. 波長
我們在上一個小節有提到,光是電磁波的一種,也有提到各類電磁波所屬的波長,那波長是甚麼呢,以圖二來解釋的話,一個波的週期就是指最高點到最高點,或最低點到最低點,而波長就是指這個周 期的長度。

正弦波的波長

圖四:一個正弦波的波長。

2. 頻率
頻率指的是一個單位的時間內,某個事件發生的次數,對於波來說,就是指一段時間內,產生了多少個波,而它與週期成反比,也就是說:

其中 λ 為波長(單位:m), 為波速,以電波來說就是光速 c,即 2.998×108 (), 為頻率(單位:Hz)

3. 能量
談到能量,就不得不提起偉大的物理學家——愛因斯坦所提出的光電效應,而由光電效應衍生出了一個名為普朗克的關係式:

經過運算我們可以得到更多關係式:

其中 為能量(單位:), 是指普朗克常數  =6.626×10-34 (), 為頻率(單位:Hz),c 為光速(單位:),λ 為波長(單位:m)

OPEN
回頂部