2017年3月29日

生活中無所不在的螢光

作者/林宮玄,任職於中研院物理所,本刊兼任副總編輯。
圖一:電子在物質中能階的躍遷,可產生螢光。
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。


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(fluo-rescence)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。


圖二:散發磷光的鳥形裝飾。(Wikipedia)
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。

螢光棒也大量應用在娛樂用途,人類很容易被漂亮且五彩繽紛的光所吸引,譬如人們喜歡在節日用不同顏色的燈泡串起來裝飾。電腦、電視、手機、平板等螢幕,也可屬於娛樂範圍。早期的映像管電視(CRT TV)及大尺寸電漿電視,在真空中發射電子直接打到不同發光材料,利用「陰極螢光」混出不同顏色。目前的液晶螢幕內的液晶本身不發光,而是用來控制透光強弱,因此需要白光的背光板搭配紅、綠、藍濾鏡混色。市面上所謂LED液晶螢幕,是指背光板用LED白光光源,並非直接用不同顏色的三種LED所組成。OLED 螢幕可直接利用發不同顏色光的材料做成LED來混色,OLED中的O指的是有機(organic),即利用有機發光材料所做成的LED(light emitting diode,發光二極體)。市面上也開始推出量子點螢幕,利用無機材料LED的藍光透過「光致螢光」激發不同量子點而發出不同顏色的光。 ......【更多內容請閱讀科學月刊第568期】

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