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探索物質世界的偵察機–光

無孔不入的光是造物者賜予我們最強而有力的工具,透過各種能量的光散射、繞射及穿透的特性,光波可帶領我們深入物質深處,探索物質世界的萬花筒。
 
 
 
在古早時代,人們已經懂得使用簡單的經驗法則來分辨某些混合物,例如以淘洗的方法把金礦從河沙中篩選出來;或利用鹽酸分解碳酸鹽類可產生二氧化碳氣泡的原理,來區分外觀十分相似的方解石(碳酸鈣)與石英(二氧化矽)。這些所謂的生活經驗,其實就是利用各種物質的特性,如密度、硬度,甚至光澤等差異,來幫助區分物質。

然而時代變遷,科學技術的發達使得合成物質中的成分漸趨複雜,傳統經驗法已不足以應付現今工業社會中大量且精密檢測的需求。當人們對產品的品質要求越來越高時,就必須尋求更準確有效的方法,以期更有效率地分析物質的成分與純度。

一沙一世界

英國詩人布萊克(William Blake)曾說過:「一沙一世界、一花一天堂。」確實,單是一粒沙、一朵花就已完全包含了整個物質世界。現在,就讓我們從大到小,來細細觀察這一粒沙吧!

以肉眼觀察,沙粒似乎只不過是一個小粗粒。若更進一步看,它可能是許多微小「礦物」的聚集體。而當觀察的尺度更小時,便會發現其實每個微小礦物都是由無數個原子所組成的「晶格」架構而成。原子與原子間則是被不同形式的鍵結所牽引著,形成了所謂的「分子」。而位在原子結構中的電子,則扮演分子鍵結的重要角色。被電子環繞著的原子核內則擠滿了密密麻麻的中子與質子,而中子、質子又是由夸克所構成。

在廣大的物質世界裡,需要使用不同的觀察工具來了解物質。這時候,無孔不入的「光」就是最有效的工具!「光」是幫助我們看清楚物質的重要媒介,它也是能量的一種形式,而光波的頻率就是能量大小的計量單位,能量越大頻率越高波長就越短。不同波長的光就像偵察機一樣,帶領我們進入不同尺度的物質世界中,探索物質內部的奧祕。

光明與黑暗之間

當光照射在物體上時,一部分會穿透物體,另一部分在表面上反射。如果物體表面是平坦的,則光會依循反射定律,以相同於入射的角度從表面法線的另一邊反射。法線是垂直於物體表面的線,隨著物體表面的彎曲而改變方向。因此當光線照射在非平面的物體上時,因為法線角度的不同,入射光便會以不同的角度朝四面八方反射,這樣的現象稱為「散射」。

事實上,投射在我們眼中的物質影像,大多是源自於光的散射。散射作用與物體的表面平坦度直接相關,也因此我們得以勾勒出物體的外貌輪廓。

至於物體的透明與否,與光的穿透和散射比例有關,而這比例又與物體內散射粒子的大小有關。若不考慮光的吸收,光的散射量會與粒子的尺寸成正相關。也就是說,在相同的波長下,越大的粒子散射的效應會越明顯,而物體的透明度隨之降低。

以霧面玻璃為例,當在透明玻璃上用粗砂磨出一道一道的刮痕時,光會在這些刮痕上嚴重地散射,使得玻璃變得霧霧的,即透明度降低了。同樣的道理,牛奶中因為含有許多巨大的蛋白質及乳糖分子,光線因這些大分子而產生嚴重散射,牛奶因此呈現不透明的乳白色。反之,含有許多鹽類離子的海水,因為鹽類離子的尺寸非常小,所以可保持澄清透明狀。

從上述可知,光的透明度會隨著觀察物的尺寸降低而提高。因此可以想像,如果有一天人類研發出尺寸很小的奈米纖維,用這個奈米纖維所製成的衣服就會完全透明!如此一來,穿著透明斗篷不再是遙不可及的夢想了!

物質世界的放大鏡 — 電子顯微鏡

在「尺寸效應」作用下,眼見不一定為真,因為許多小東西可能因「尺寸效應」而隱形了起來。既然如此,科學家如何觀察物質世界中的微小物質呢?英國物理學家瑞利(Rayleigh)發現光的散射量與波長的四次方成反比,他的發現說明了為何當太陽光穿過充滿細小懸浮物的大氣層時,多數顏色的可見光線都直接穿透大氣層,唯有波長較短的藍色光被散射出來,因此晴朗的天空會呈現美麗的湛藍色。根據瑞利的理論,要讓微小物質顯影出來的最簡單方法,就是利用波長較短的光去觀察它。

電子顯微鏡便是使用電子做為觀察光源的分析技術。電子的波長不到1奈米,比原子還小,因此再小的物質在電子的照射下都會變得一覽無遺。電子顯微鏡就是利用高達數萬伏特電壓的作用,使燈絲釋放出的大量電子變成電子束,當這電子束投射到物質表面上時,便會產生顯著的散射效應而以不同角度散射出來。當這些散射電子撞擊到塗有螢光粉末的螢光幕上時,便可把電子訊號轉換成肉眼可見的影像。

電子顯微鏡又分為掃描式與穿透式兩種。掃描式電子顯微鏡的原理與光學顯微鏡類似,它的投影螢光幕可以直接偵測從物質表面散射出來的電子,使我們得以清楚看見物體的表面輪廓。穿透式電子顯微鏡則是從物體的另一邊觀察電子,就像是觀看皮影戲一樣。由於電子的散射作用很強,能夠穿透物質的電子數量非常少,因此從投影螢幕上便可以清楚看見物質的影子。

電子顯微鏡的放大倍率可高達數萬倍,在高解析度電子顯微鏡的協助下,甚至可以觀察到原子的排列狀況。

物質結構的照妖鏡 — X光繞射儀

電子顯微鏡幫助我們看見肉眼無法偵察到的微小粒子。然而,它為我們顯露的僅是物質的輪廓,若要探索物質深處的結構,就要利用到光的另一個特性,那就是「繞射」。

當光通過原子間的縫隙時,如果這個間隙比光的波長還大,光會直接穿透過去;若間隙比光的波長還小,這道光會被反彈回來。特別的是,當光的波長與間隙的大小接近時,光的穿透與反射比例會變得差不多,在穿透與反射兩者加成抵銷後,只剩下某個特定角度的光會被加強,其餘都被抵銷了,這樣的現象就稱為「繞射」。

關於繞射現象,科學家布拉格(Bragg)在 1913 年提出了布拉格定律,也就是λ= 2d・sinθ這個關係式,其中λ是波長,d 是二相鄰原子層間的距離,θ是光的入射角度。只有在符合以上關係式的狀況下,繞射現象才會發生。

布拉格定律提供一個觀察物質內部結構的絕佳方法。物質都是由一個一個的晶格堆疊而成,在每個晶格內,原子以固定的對稱結構排列著,而排列間有固定的原子間隙。原子的尺寸大約是0.1奈米,因此原子間隙也大約落在相同的範圍內。X光的波長範圍介於0.01至10奈米之間,正適合用來誘發晶格結構的繞射作用。

當使用波長約為0.1奈米的X光,以某個固定角度(θ)打入晶體結構中時,只有某個對應大小的原子間隙(d)會反應出繞射現象。因此在進行物質結構分析時,只需要調整X光的入射角度,便可披露出結構中的每個原子層間隙。今日科學家們已經把上萬種不同的物質結構整理成一份資料庫,只要把繞射圖譜與資料庫比對,就可以鑑定出物質的結構。

X光繞射技術就像是一面照妖鏡,把物質的骨架照得清清楚楚。有了它,可以輕易分辨玻璃與鑽石的差異,也能夠看穿任何外表相似,但內部結構不同的物質,不必再擔心被它們虛假的外貌蒙蔽了。

各得其所的電子

除了前面提到的電子顯微鏡、X光繞射儀之外,也可以從「能量」的觀點來分析物質。事實上,物質並不如我們想像般的平靜無波,從分子鍵結到原子核內部,都有程度不一的能量表現。在物質世界中,能量運動最活躍,且能量特性最鮮明的,非「電子」莫屬。電子是帶著負電荷的粒子,它像是圍繞著太陽運轉的行星,在力學的平衡之下,分布狀態是一層一層從原子內部向外擴張的,在不同的電子軌域上繞著帶正電荷的原子核旋轉。

就像被地球重力緊緊吸引住的我們,站在地表上位能是最低的,越往高樓位能就越高。被原子核緊緊吸引住的電子也是一樣,位在最接近原子核的內層電子,受到原子核的束縛能是最明顯的,位能最低;而越往外層,束縛能就越來越弱,位能越高。由於每種元素的原子核內都各帶有不同數量的質子與中子,對於電子的束縛程度也隨之改變。因此,位於不同原子、不同軌域上的電子都會帶著不同的位能。

電子位能就像是元素的指紋,可為我們鑑定出元素的身分。其中,最能提供詳細鑑定資料的,就是離原子核最近的最內層電子。

直擊原子內部

測量內層電子位能最常用的方法,就是X 光能量散布光譜儀(energy dispersive X- ray spectroscopy),簡稱 EDXS。EDXS的量測方法是利用高能量的X 光把內層電子撞擊離開原子束縛,變成游離電子。而失去內層電子後的原子會變得相當不穩定,為了使原子恢復原先的狀態,外層電子會順序遞補進入內層軌域,把原先的這個電子空缺填滿。由於這個遞補過程是由帶有較高位能的外層電子進入低位能的內層軌域,基於能量守恆原理,電子的位能差異會以螢光的方式釋放出來。

我們只需要量測這螢光訊號的能量,就可以計算出電子的各個能階差,進而鑑定出元素的種類。除此之外,EDXS也可根據各個特徵峰的螢光強度,推算出各元素所占的比率。

除了EDXS外,還有一種精密的元素分析儀器,就是X光光電子光譜儀(X- ray photoelectron spectroscopy),簡稱XPS。

XPS的工作原理與EDXS類似,同樣是以高能量的X光激發出原子的內層電子,但不同於偵測電子遞補過程所釋放的螢光強度,XPS量測的是游離電子的能量。經過高能激發的電子,在脫離原子控制後會轉變成帶有動能的光電子,而它所帶的動能大小,相當於給予的激發能量扣去電子被原子核吸引住的束縛能。我們可以透過精密的偵測器,直接量測光電子的動能,就能計算出電子的束縛能並推算出元素的種類。

過去,科學家發現了光的一些特性,如今,科學家已懂得利用光的這些特性,發明各式各樣強而有力的分析技術,幫助我們更清楚地了解物質的世界。人們藉由分析儀器發現許多物質的特性,再把這些物質特性結合眾多的精密設備元件,轉化成更有力的分析工具。如此相輔相成,讓我們得以把這世界看得更清楚、更明白。
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