電影中常看到 怪盜想以假畫偷天換日 盜走美術館珍藏的畫作 最終仍被偵探識破的劇情 美術館為了保存畫作多半嚴禁觸碰 更不用說切開來研究 那你想過在不損毀畫作的前提下 美術館要怎麼鑑定畫作的真假嗎？ 除了仰賴專家眼力外 有沒有更科學的鑑定方法？ 回答這個問題前 我們先來看看生活中的兩個物理現象 1666年 牛頓發現太陽光經稜鏡折射後 出現了彩色的光帶 在實驗室內 我們把白光透過狹縫射進稜鏡 由於白光是由多種色光組成 波長不同、折射率也不同 經過稜鏡後 會在底片上留下各種顏色的色帶 就稱作光譜 而另一個則是跟夜晚 閃耀的霓虹燈有關 19世紀時 科學家發現氣體加熱後會發出光線 而霓虹燈 就是在玻璃燈管內充入低壓氣體 並透過燈管兩極連接電壓來加速電子 高能電子撞擊氣體後 氣體粒子吸收能量 會暫時處於不穩定的激發態 當其電子回到基態時就會放出光線 那如果把氣體放出的光 透過稜鏡分色會發生什麼事呢？ 科學家以最簡單的原子「氫」做觀測 他們在放電管中充入低壓氫氣 通入高壓電後氫原子會放出藍色的光 將此光線透過稜鏡分光 會在底片上留下不連續的光譜 後來科學家又在紫外光區與紅外光區 也分別發現了譜線 稱為氫原子光譜 其譜線上的波長λ 可以由瑞典物理學家芮得柏 提出的公式簡單描述 其中的m、n皆為正整數 且m小於n 而RH則為芮得柏常數 從光譜的分類來看 太陽光或白熾燈發出的光線 經過稜鏡會色散出連續分布的光譜 就稱為連續光譜 而前面提到 受高壓電激發 發射出的光線分色後 呈現的光譜就稱為發射光譜 又因為這類光譜 是由一條一條亮線組成 也可以稱為明線光譜 除了連續光譜與發射光譜外 還有一種吸收光譜 吸收光譜乍看之下跟連續光譜很像 但仔細觀察會發現 裡面有一些光線不見了 吸收光譜 是在白光與狹縫中間放上低溫氣體 光線通過氣體時 某些波長的光線被吸收 色散後就會呈現出一條一條的暗線 所以吸收光譜也稱為暗線光譜 這三類光譜中 我們可以發現 發射光譜與吸收光譜 兩者的譜線不連續 屬於不連續光譜 前面說到 太陽光與白熾燈光混和了所有的波長 會在底片上記錄下所有顏色的可見光 反過來說 發射光譜 就是只記錄了特定顏色的光譜 那這些光波是如何決定的呢？ 以氫原子為例 原子核外有不同能階的軌道 一般情況下 電子會在n等於1的軌道上穩定繞行 稱為基態 當電子吸收外來能量後 會躍遷到能量較高的能階 比如n等於2的第一激發態 n等於3的第二激發態 激發態下的原子通常較不穩定 電子容易放出能量回到基態 放出的電磁波 如果波長落在可見光範圍 就會被底片記錄下來 形成一條一條的亮線 即為發射光譜 而吸收光譜剛好相反 由白熾燈發出混合所有波長的電磁波 這些電磁波中 剛好有某些特定波長 可以被氫原子吸收 讓電子躍遷到更高的能階 當混合光通過低能量的氫氣時 這些特定波長的電磁波被吸收 當然也就不會出現在底片上 形成一條一條的暗線 而其他波長的可見光 會穿過氫氣被記錄在底片上 也就是我們看的吸收光譜 看到這邊你會發現 同一種元素中 會發射出的能量 與可吸收的能量數值是一樣的 所以發射光譜的亮線 應該會與吸收光譜的暗線一樣囉？ 沒錯！ 我們將氫原子的發射光譜 與吸收光譜並排在一起看 發射光譜的亮線位置 剛好就會對應到吸收光譜的暗線位置 合併在一起 就會呈現出完整的連續光譜 生活中所有元素的光譜 都是獨一無二的 就像是原子的身分證一樣 我們可以透過光譜測量 來確認元素的組成 而天文學家也利用這個特性 觀測吸收光譜 來分析太空中星球與星雲的組成元素 我們來思考一下這個問題 回到開頭的問題 科技如何協助判斷畫作的真假呢？ 關鍵就在顏料 同樣的色彩在不同時期、 不同的藝術家手上 使用的顏料成分也會不同 透過光譜測量 我們可以在不破壞畫作的前提下 找出顏料的成分 如果在19世紀的畫作上 發現了21世紀才出現的顏料 就表示這幅畫可能是近代才出現 或是曾經被修改過 輔助專家判斷畫作的真偽 我們來總結一下這支影片的學習內容 光譜分成由陽光、 白熾燈泡發出的連續光譜 由加熱氣體發出的光 所產生的發射光譜 以及光線穿過冷氣體後 呈現的吸收光譜 加熱氣體時 處於激發態的原子 放出能量後回到基態 放出特定波長的能量 產生發射光譜 光通過冷氣體時 特定波長的能量被吸收 產生吸收光譜 每種原子的光譜都是獨一無二的 科學家可以透過測量光譜 來判斷組成元素 生活中 原子光譜除了用在畫作鑑別上 其實也被用在食品的檢測上 想想看 原子光譜在食品檢測上 可以有哪些應用呢？ 歡迎留言分享你的想法 我們下次見 bye bye