Chapter 6

6-2 光電效應

6-3~6-4 粒子的波動性~波粒二象性

6-5 質子光譜

6-1 前言

量子力學

Physics

由狹縫、三稜鏡、底片所組合成的儀器，稱為光譜儀（spectrometer）。底片上不同的位置即代表光的不同波長，底片的曝光程度即代表光的強度，分析底片可以得到入射光的波長組成，稱為光譜。

連續光譜：鎢絲燈、熔融的鋼鐵、岩漿。高熱帶電粒子做各種不同頻率的振動（熱運動），而放射出各種不同頻率的電磁波（光波）。

配合課本 - P.197

光譜

圖 6-14

PHYSICS

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圖6-14

配合課本 - P.197

圖6-14 光譜儀與連續光譜。

底片所有位置全部曝光，代表這些物體所發出的光是由各種不同連續的波長的光組合而成。

在玻璃管中填充單一低壓氣體，以電子打擊氣體原子，使氣體發光，稱為氣體放電管。

氣體放電管所放射出的光僅由少數特定的波長所組成，此種光譜為不連續光譜。

圖6-15 光譜儀與不連續光譜。

配合課本 - P.198

不連續光譜

PHYSICS

在氣體放電管中填充不同的氣體原子，將放射出不同的不連續光譜，所以不連續光譜就像是原子的身分條碼，稱為原子光譜。

圖6-16

太陽發射光譜與不同原子的原子光譜。

配合課本 - P.198

原子光譜

PHYSICS

配合課本 - P.199

原子光譜的規律性─巴耳末

發現氫原子可見光區4個波長具有規律性，此規律性可由數學式來描述。

巴耳末

（Johann Jakob Balmer，1825 ～ 1898）

PHYSICS

配合課本 - P.199

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各公式中之R 稱為芮得柏常數（Rydberg constant），

　　　　　　　 。

PHYSICS

補給站

丹麥科學家波耳（Niels Bohr）結合了愛因斯坦的光子理論與拉塞福的原子模型，於1913 年提出了能階的概念。

假設一：電子滿足特定條件形成特定運行軌道，具有特定能階

​

假設二：電子在各能階躍遷時，僅吸收或放出一個光子

配合課本 - P.200

原子能階與原子光譜

PHYSICS

配合課本 - P.200

×

如果一個氫原子由基態躍遷至受激態， 其半徑、總能量如何變化？

配合課本 - P.202

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Q：

PHYSICS

想一想

6-3

由波耳的氫原子模型，一個氫原子由受激態躍遷為基態時，下列敘述何者正確？

(A) 電子繞行原子核的半徑增大

(B) 氫原子的總能量提高

(C) 處於不穩定的狀態，將在短時間內回到受激態

(D) 以光子的形式釋出能量

(E) 氫原子只有一種受激態。

範例 6-3

配合課本 - P.202

答案

範例

6-3

解析：

受激態的能量比基態高，由受激態回復為基態時半徑減小，總能量降低，原子處於較穩定的狀態，而降低的能量將以光子形式釋出，故選(D)。

解答：(D)

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配合課本 - P.202

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解析

若在可發出連續光譜的光源之後放置冷氣體，可發現光譜儀的底片上幾乎所有的位置都曝光，但某些特定的位置沒有曝光，代表冷氣體吸收了少數特定波長的光，此種光譜稱為「吸收光譜」。

配合課本 - P.203

吸收光譜

PHYSICS

補給站

特定氣體發射的原子光譜和其吸收光譜恰可互相對應，代表氣體高溫時放出特定波長的光，而在低溫的情形下，吸收同樣特定波長的光。

配合課本 - P.203

吸收光譜

PHYSICS

補給站

原子有特定的能量狀況，稱為能階，由特定的高能階躍遷至特定的低能階時，釋出特定能量的光子，有特定的波長，在底片上使特定的位置曝光，這是原子光譜為不連續光譜的成因。

配合課本 - P.203

吸收光譜

PHYSICS

補給站

而由低能階躍遷至高能階時，吸收相同特定能量（即相同特定波長）的光子，故在連續光譜的底片上使相同的特定位置沒有曝光，這是吸收光譜與原子光譜互相對應的原因。

配合課本 - P.203

吸收光譜

PHYSICS

補給站

太陽光的本質是連續光譜，但太陽周邊較遠處有中性氣體原子分布，受到這些冷氣體原子的影響，在地面上測量太陽光譜時，所得到的是吸收光譜。

配合課本 - P.203

吸收光譜

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配合課本 - P.203

PHYSICS

補給站

人有「設身處地」的能力，對一個從小失去視覺的人描述落日的餘暉，我們可以想像得到對方的困難。對於一批沒有三度空間概念的二維生物，他們嘗試觀察一個圓柱體，由於無法直觀的了解第三度空間的存在，我們也可以了解他們的困境。若從圓柱的軸線觀察，他們觀察到的是一個圓；若由圓柱的側面觀察，觀察到的卻是一個長方形。同一個研究對象，有時研究起來是圓，有時是方，如圖6-18，這就在這些二維生物中的研究過程中形成了所謂「方圓二象性」的困擾。

配合課本 - P.204

波粒二象性與方圓二象性

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補給站

若我們承認人的感官是有限的，而實驗不過是感官的延伸，可能無法呈現實驗對象的全貌，只能呈現其中的一部分。因此當我們設計實驗研究光與質點的性質時，就有些像「瞎子摸象」，只能得到全部事實的一部分。某些實驗粒子性較為顯著，而波動性不明顯（例如：光電效應）；某些實驗波動性較為顯著，而粒子性不明顯（例如：楊氏雙狹縫干涉實驗）。因而形成波粒二象性的困擾時，這困擾就不足為奇了。

配合課本 - P.204

波粒二象性與方圓二象性

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圖6-18 方圓二象性。

配合課本 - P.204

波粒二象性與方圓二象性

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波耳

簡介

第一次遇見量子力學卻沒被震撼的人，可能沒真正的了解它！。

生活要事

1885 年 生於丹麥哥本哈根

1913 年 提出波耳氫原子模型

1945 年 被選為丹麥皇家科學院院長

1952 年 參與歐洲核子研究組織

（簡稱CERN）的創建

1962 年 波耳辭世

​

光到底是波動還是粒子，在科學界已爭辯多年了。經過深思熟慮之後，我在這裡大膽地提出我的新主張：「互補原理」。當某個實驗波的性質較明顯時，粒子的性質就不明顯；反之，某個實驗粒子的性質較明顯時，波的性質就不明顯。也就是雖然光同時具有波動與粒子的雙重特性，但兩者並不會在一實驗上同時明顯展現。

波耳──在哥本哈根

如果科學家有facebook的話

配合課本 - P.206

• 雷射的英文全名是light amplification by stimulated emission of radiation（經由受激輻射而將光增強），縮寫為LASER，臺灣音譯為雷射，中國大陸意譯為激光。
• 雷射光的產生方式和冷光一樣，但冷光是來自於個別電子的能階躍遷，雷射光則是大量電子的同步集體躍遷。
• 雷射光的光子波長相同，波峰出現的時間也相同，可比喻成踢正步前進的軍隊，步伐一致。一般冷光（例如日光燈）的光子就像一群烏合之眾，波長不同，且波峰出現的時間混亂不一致。所以雷射光擁有高單色性、低發散性、高照度等一般光源沒有的特性。

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配合課本 - P.206

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配合課本 - P.206

動動腦

Q1：

Q2：

哪些地方可以見到雷射？

雷射有哪些應用？

PHYSICS

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