在綿綿細雨又出太陽時 有時會看到天空中有美麗的彩虹 彩虹中包含了紅 橙 黃 綠 藍 靛 紫等顏色 繽紛的色彩讓人看到時總會感到驚喜與愉悅 在醫院復健室中 復健師會以紅外線治療器照射關節等患處 讓患者感受到深層熱敷的功效 以達到治療或緩解發炎的目的 你知道美麗彩虹呈現的可見光 和醫療時所使用的紅外線有什麼共通性呢 它們都是屬於電磁波的一種 所具有的波長 頻率與能量不同 由於光具有干涉 繞射等現象 且光屬於電磁波的一種 所以光具有波動性 日常生活中 我們也會使用到許多不同種類的電磁波 例如 廣播電臺所放送的無線電波 微波爐用來加熱烹煮的微波 醫院檢查病患所使用的X光射線 而光也是一種電磁波 電磁波不需介質即可傳播出去 電磁波的傳播速率與光在真空中的速率相等 為3×10^8 單位為公尺/秒 電磁波的傳播速率c等於電磁波的波長λ與頻率ν的乘積 c=λ×ν=3×10^8 單位為公尺/秒 λ波長 單位為m ν頻率 單位為s^ 因此 電磁波的頻率λ與波長ν為成反比的關係 波長越短 頻率越大 各種電磁波之波長的大小關係為 γ射線< X-射線<紫外線 <可見光<紅外線 <微波<無線電波 則這些電磁波頻率的大小關係就轉變成 γ射線> X-射線>紫外線 >可見光>紅外線>微波>無線電波 其中人類 指甲 圖釘等各項圖例所擺放的位置 分別代表實物大小和波長長度的對應關係 其中 可見光為肉眼可以察覺到的電磁波 其波長範圍約在400~700奈米之間 彩虹所發出的顏色即屬於可見光 我們已知波長比400奈米短的紫外線會對皮膚造成灼傷 而波長比700奈米長的紅外線則無法使一般底片感光 顯然 不同波長的電磁波具有不同的能量 波長愈短能量愈大 也就是頻率愈高 能量愈大 西元1900年 德國物理學家普朗克提出能量是不連續的觀念 將能量量子化 開啟了量子理論的時代 他認為電磁波中的能量與其頻率成正比 電磁波的能量計算方式 可以根據以下的式子來求得 E=h×ν 其中 E為能量 單位為焦耳 h稱為普朗克常數 其大小為6.626×10^ 單位為焦耳．秒 ν為電磁波的頻率 單位為s^ 接著 在1905年 愛因斯坦提出光子理論 他認為電磁波是由光子所組成的 具有粒子性質 他將此粒子稱為光量子 簡稱為光子 也就是表示光具有粒子性 並以此來解釋光電效應 突破了傳統上認為光為電磁波 僅具有波動性的想法 表示光和電磁波同時具有波動性與粒子性 因為已知電磁波的傳播速率c＝3×10^8 單位為公尺/秒 等於電磁波的波長λ與頻率ν的乘積 故電磁波的頻率ν為 ν=C/λ 將ν改以C/λ代入E＝hν式中 可得 E＝hν＝h．C/λ 從此式可以求得 電磁波中一個光子所具有的能量 其大小與電磁波的頻率ν成正比、波長λ成反比 因此 若某一台家用微波爐 是利用波長約為122毫米的微波來對食物加熱 則此微波的頻率為 ν=c/λ=3x10^8/122x10^ =2.46x10^9 此微波每個光子所具有的能量為 E=hν=6.626x10^x2.46x10^9 =1.63×10^ 試試看 你會了嗎 小測驗 在臺灣 若新生兒出現黃疸症狀 通常醫師會以 波長約400奈米的藍紫光照射該新生兒來進行治療 試求 此藍紫光的頻率約為多少 此藍紫光中一個光子的能量約為多少焦耳 由於1奈米=10^公尺 故此藍紫光的波長400奈米=400x10^公尺 此光的頻率 =3×10^8/400×10^=7.5×10^14 一個光子的能量E=hν=6.626x10^x7.5x10^14 約等於4.97x10^ 牛頓於1666年以三稜鏡做太陽光的分光實驗 當太陽光所放出的光線通過三稜鏡折射後 會形成由紅 橙 黃 綠 藍 靛 紫 依序連續分布的彩色光帶 頻率由較低的紅光到較高的紫光全部都存在 亦表示太陽光放出的是能量連續的光 故此彩色光帶被稱為連續光譜 若使白熾燈泡的白色光經過狹縫 進行同樣的分光實驗 也能得到類似的七彩可見光連續光譜 而在焰色試驗法中 當氣體原子受熱後 會輻射出幾條特定波長的光 例如從鋰 鈉 鍶等元素所得到的光譜 我們可發現其光譜圖中的譜線只含有幾條特定波長且不連續的光 此稱為明線光譜 亦稱為不連續光譜 若將特定的氣體置於高壓放電管中 氣態原子受高壓電激發後 會放出特定波長的光 也就是會放出特定能量的光 透過三稜鏡折射後 所呈現的放射光譜是由不連續的亮線所組成的明線光譜 且光的頻率 波長隨氣體原子的種類而有所不同 故原子放射光譜可用來鑑別原子的種類 整理前面所學的內容 我們可以知道 光 電磁波具有波動性與粒子性 根據c=λxν=3x10^8 單位為公尺/秒 以及E=hν=h．c/λ 並帶入普朗克常數h=6.626x10^-34 單位為焦耳．秒 可由某光或電磁波的波長 頻率求得其一個光子所具有的能量 光譜有連續光譜與明線光譜兩類 太陽光或白熾燈泡所發出的白光 都屬於連續光譜 單一元素受熱或某特定氣體於高壓放電管中所發出的光 都屬於明線光譜 同學們 看完本單元你是否已經認識光與電磁波的特性 以及其波長 頻率與能量的關係 並了解光譜的分類了呢 歡迎到留言區與我們分享你的學習心得喔 我們下次再見