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2017-04-01生活中無所不在的螢光
568 期
Author 作者
林宮玄／任職於中研院物理所，本刊兼任副總編輯。
在演唱會的夜晚，每個人拿到了螢光棒，折一下就可以在黑暗中發出亮光。在揮螢光棒的時候，不曉得有沒有人會想，螢光是怎麼來的？所有光都是螢光嗎？太陽所發出來的光可以說是螢光嗎？螢火蟲發出的光，算是螢光嗎？
什麼是螢光？
能量守恆是自然界的基本道理，光本身也是能量的一種，放出螢光也是來自於能量的轉換。人類可以看到的光波長約400~700奈米左右，每個波長或頻率的光（電磁波）可對應到量子的光能量或光子能量──hν，h是普朗克常數（Planck constant）、ν是電磁波頻率。科學家常使用電子伏特（eV）來表示光的能量單位，1 eV 相當於帶電量為1.6×10-19庫侖的一個電子經過1伏特電位差加速後，所獲得的動能（1.6×10-19焦耳）。紫光（400奈米）的光子能量約為3.1 電子伏特左右，而紅光（700奈米）的光子能量約為1.8電子伏特。
物質是由原子所組成，元素週期表整理出每個元素所擁有的電子數目，根據包立不相容原理，電子可從最低能量的軌道或能階往上填。我們所熟悉的物質，大部分並非單一原子，而是由數種原子所組成的分子或週期性排列成晶體。原子相互靠近會形成不同能階、甚至能帶，這是每個原子間電子相互作用所造成的。基態 （ground state）指的是所有電子在最低能階的狀態，其他有額外能量的狀態則泛稱「電子的激發態（excited state）」。當電子受到額外能量到激發態時，電子以放光的方式釋放能量回到基態，由此方式所放出的光，可廣義稱為「螢光」。在激發態的電子不一定要以放光的方式釋放能量，也可以轉成熱，譬如傳遞動能造成原子擾動而溫度上升。如圖一所示，很多時候是光與熱都有，電子在激發態時，部分能量先以熱的方式釋放，之後才放出光，而放出的光子能量為能階之間的能量差。
圖一：電子在物質中能階的躍遷，可產生螢光。
科學上的螢光定義
科學上會以電子在激發態停留的時間，來區分螢光（fluorescence）與磷光（phosphorescence）。一般來說，產生螢光的電子，在激發態停留的時間約為幾個奈秒（10-9 秒）等級，如果電子停留了微秒以上，那麼就會以磷光稱之。譬如夜明珠在白天吸收了光能量之後，電子在激發態的時間是以分鐘來計算的，黑夜中我們就可看到夜明珠慢慢釋放電子到基態所產生磷光。手錶也常用磷光材料幫助我們在黑暗中看時間，如果用的是螢光材料，只要沒有照光，所有電子在1微秒內釋放能量放出螢光，以致我們看不到亮光。科學或學術中所指的螢光，大部分以光讓電子到激發態再放出螢光，稱「光致螢光（photoluminescence）」。材料吸收較高能量的光，譬如藍光（2.8電子伏特）使電子躍遷到激發態後，電子經過能量損耗放出較低能量的光，譬如綠光（2.4 電子伏特）。
除了光，還有其他方式可讓電子到激發態。譬如螢光棒內外管裝雙氧水與酯類化合物及螢光染料，當管壁經過折彎而破裂，化合物間的化學反應會持續激發染料中的電子到激發態而放光，稱「化學發光（chemiluminescence）」。LED用電流的方式將電子注入發光材料中所放的螢光，稱「電致螢光（electroluminescence）」。若是在真空中直接把電子發射到材料裡而發出螢光，稱「陰極螢光 （cathodoluminescence）」。螢火蟲放的光稱為生物螢光，其實也算是化學螢光。螢光材料在吸收能量後，大部分能量可透過光的形式再放出，因此溫度不會上升太多，又被稱為冷光。科學上有時會用「發光 （luminescence）」避免討論發光機制。
螢光的應用
日常生活中泛稱的螢光，指的是可見光。譬如LED就是利用發光材料放螢光，屬於「電致螢光」。LED常見在生活應用中，藍光LED更是獲得2014年諾貝爾物理獎表彰，使LED可應用在白光照明。目前市面上的LED白光燈泡，利用藍光LED激發螢光粉中的電子，「光致螢光」 而產生黃光，並與原有的藍光混合成白光。市面上的日光燈管、省電燈泡等，藉由通電使管壁內的水銀蒸氣放出高光子能量的紫外線，管壁內側的磷質螢光物質吸收紫外線後可發出可見光，也是利用光致螢光的方式產生白光。……【更多內容請閱讀科學月刊第568期】