在一萬公尺遠的地方有一部電動機，電可以不到一秒就傳到電動機那裡?但是，電子的漂移速度卻只有4x10^-5 m/s。為甚麼呢?
這個問題其實非常簡單，但在回答這一個問題之前，我們還可以更細部探討這個問題。以我們在台灣為例子，我們所使用的電都是交流電(AC)，而交流電的頻率是每秒60 Hz (f = 60 Hz)，電子在半個週期以內的運動約3.33x10^-7 m。根本都還不到10個原子大小的距離。電子如何能以光速的速率到達1萬公尺遠呢?這說法似乎越來越模糊。
其實，我只想告訴你們知道，電子其實根本就不需要去哪裡，他只要好好的待在傳導帶中，就可以藉由特殊訊號使電動機運行。為甚麼這麼說呢?以ㄧ安培電流的定義是: 每秒通過導線任何截面積一庫倫之量，而電子通過的截面積的速率跟電流值跟本沒有太直接的關係。也可以這麼說，唯一跟速率有直接的關係的其實是電場中的電力線。
電力線能以光速的能力提供電子正逆方向的訊號，而這個訊號正是台電所產生的交流電動勢E。我們以前還學過分子中有原子、原子中有原子核、原子核裡有中子及質子、而電子總是圍繞在原子核身邊。從這裡我們也可以知道，既然萬物都是由原子所構成，那萬物中也一定都有電子的存在，我們花錢不是跟台電買電嗎?可是我們家的金屬電線中也一定都有電子，那我們跟台電到底買甚麼?台電既然不提供電子，那台電為甚麼要收我們錢?這個道理還是回歸到台電所產生的交流電動勢，這個電動勢是提供一個傳導的壓力(我們一般所說的電壓V)，因為電場中的電力線是以光速的形式提供傳輸，而電壓便在這電場中的電力線傳輸訊號，因此，我們才可以在一萬公尺遠的地方，而且不到一秒就可以啟動一部電動機。
2008年10月1日 星期三
光電效應的例子---Photomultiplier tubes光電倍增管
Photomultiplier tubes(PMT)光電倍增管
光電倍增管是一種將微小光訊號強度放大成為脈衝電流信號。ㄧ般而言可以放大為原來光信號的10^8方倍數。因此，如果我們所欲測得的信號非常微弱，我們可以考慮使用光電倍增管這樣靈敏度高、可靠度好的電子信號偵測器。
也因為如此，我們就來談談這樣光電倍增管的使用原理。光電倍增管的結構中有光陰極(Photocathode)、光子聚集板、多層電極及陽極(Anode)。
首先，由外部的光子訊號傳到光陰極，再經由光陰極所產生的電子訊號聚集後集中後傳送至第一級的電極，經由電子傳送到第一級的電極形成2倍的電子訊號，之後再傳送到第二級的電極後，又產生為4倍的訊號，於此類推。一般而言，一個光電倍增管裡面有10片左右的多層電極板，可以產生約原來信號大小的10^9~10^11次方倍數，而且過程中僅僅約10^-8秒。
像光電倍增管這樣將光子入射至電極板後產生二次電子的光訊號，也有不少缺點，如光電倍增管有所謂的疲累現象，也就是說光電子的靈敏度會因為照射時間過久而降低靈敏度，或者是照射光度太強而降低靈敏度，以及光陰極的表面因污染或光陰極不均勻分佈而影響光電倍增管使用效益。
一般市面上的光電倍增管有Head-on及Side-on兩類。也就是接受光訊號不是在頂端頭部就是在側面接收光訊號。至於哪一類最好，完全是靠使用者的定義來選擇適合的使用。
光電倍增管的發明其實是我們之前所談論過的「光電效應」(Photoelectric effect)。利用光照射在金屬板上，金屬內的電子就會離開金屬表面，成為光電子(Photoelectron)。這與我們之前談論到的在日常生活中，去便利商店買東西時，有自動門會自動開啟。傍晚時，路燈會自動點亮，或者是連酒駕時的酒精測試儀都與光電效應息息相關。所以，光電倍增管可以說是再一次詮釋光電效應應用的最佳工業產品例子。
光電倍增管是一種將微小光訊號強度放大成為脈衝電流信號。ㄧ般而言可以放大為原來光信號的10^8方倍數。因此，如果我們所欲測得的信號非常微弱，我們可以考慮使用光電倍增管這樣靈敏度高、可靠度好的電子信號偵測器。
也因為如此，我們就來談談這樣光電倍增管的使用原理。光電倍增管的結構中有光陰極(Photocathode)、光子聚集板、多層電極及陽極(Anode)。
首先，由外部的光子訊號傳到光陰極，再經由光陰極所產生的電子訊號聚集後集中後傳送至第一級的電極，經由電子傳送到第一級的電極形成2倍的電子訊號，之後再傳送到第二級的電極後，又產生為4倍的訊號，於此類推。一般而言，一個光電倍增管裡面有10片左右的多層電極板，可以產生約原來信號大小的10^9~10^11次方倍數，而且過程中僅僅約10^-8秒。
像光電倍增管這樣將光子入射至電極板後產生二次電子的光訊號，也有不少缺點，如光電倍增管有所謂的疲累現象，也就是說光電子的靈敏度會因為照射時間過久而降低靈敏度，或者是照射光度太強而降低靈敏度，以及光陰極的表面因污染或光陰極不均勻分佈而影響光電倍增管使用效益。
一般市面上的光電倍增管有Head-on及Side-on兩類。也就是接受光訊號不是在頂端頭部就是在側面接收光訊號。至於哪一類最好，完全是靠使用者的定義來選擇適合的使用。
光電倍增管的發明其實是我們之前所談論過的「光電效應」(Photoelectric effect)。利用光照射在金屬板上，金屬內的電子就會離開金屬表面，成為光電子(Photoelectron)。這與我們之前談論到的在日常生活中，去便利商店買東西時，有自動門會自動開啟。傍晚時，路燈會自動點亮，或者是連酒駕時的酒精測試儀都與光電效應息息相關。所以，光電倍增管可以說是再一次詮釋光電效應應用的最佳工業產品例子。
2008年9月30日 星期二
最乾淨的空間--無塵室clean room
無塵室(Clean room)
無塵室是半導體廠中最基本的必要設施之ㄧ。每當我們的元件設計需求越來越小時，微塵粒子(particles)的影響就越來越重要。所謂的微塵粒子就是一般所說的灰塵。只是當我們很在意半導體元件製作尺寸時，微塵粒子的大小及數量就很關鍵了。因為，如果微塵粒子大於或近似元件本身關鍵尺寸，這個元件就可能將來無法製作完成。因此，需要一間高等級的無塵室就很重要而且很需要。
無塵室一級來說可以分為七個等級，分別為；M-1, class 1, class 10, class 100, class 1000, class 10000, class10萬等級。有一點比較特別的是M-1是「每立方公尺」直徑大於0.5mμm的數目必須少於10個顆。而class1則是「每立方英尺」，直徑大於0.5μm的數目必須少於1顆，class 10則是「每立方英尺」直徑大於0.5μm的數目必須少於10顆，以此類推。這個定義很重要，凡是在半導體工作的人員都應當具備這些知識。
無塵室的結構一般而言都是由天花板送出空氣氣體(down flow)的0.2 ~ 0.4m/s的流速，再由網格狀地板回收，再經過物理性及化學性的過濾器到天花板送出空氣氣體，如此不斷地循環。一般在無塵室的溫度大約必須維持在23℃正負約3℃，而濕度約45%正負15%左右。
還有一點必須特別注意的是無塵室內部氣壓絕對要比室外氣壓大，主要是避免外部的髒空氣因氣壓差的關係跑到無塵室內，污染無塵室的潔淨度。所以，我們也知道一個大的無塵室空間內，若有些小區域需要更好的潔淨度，那這間小區域的氣壓絕對大於其它的空間。原因還是無它，就是擔心受污染。
既然無塵室那麼在意於受污染，那維持那這些潔淨度的程度關鍵就在人們在進入無塵室內需要著無塵衣、帽、鞋、口罩及手套等，因為無塵室最大的污染還是人們帶進污染物。所以，在無塵室工作的人員也需做好防護措施。有了適當這些裝備在進入無塵室時，仍要進入Air Show空氣淋浴室，及腳踏地板的黏著粒子膠墊，以確保在進入無塵室前將身體的污染粒子都完全移除。
無塵室是半導體廠中最基本的必要設施之ㄧ。每當我們的元件設計需求越來越小時，微塵粒子(particles)的影響就越來越重要。所謂的微塵粒子就是一般所說的灰塵。只是當我們很在意半導體元件製作尺寸時，微塵粒子的大小及數量就很關鍵了。因為，如果微塵粒子大於或近似元件本身關鍵尺寸，這個元件就可能將來無法製作完成。因此，需要一間高等級的無塵室就很重要而且很需要。
無塵室一級來說可以分為七個等級，分別為；M-1, class 1, class 10, class 100, class 1000, class 10000, class10萬等級。有一點比較特別的是M-1是「每立方公尺」直徑大於0.5mμm的數目必須少於10個顆。而class1則是「每立方英尺」，直徑大於0.5μm的數目必須少於1顆，class 10則是「每立方英尺」直徑大於0.5μm的數目必須少於10顆，以此類推。這個定義很重要，凡是在半導體工作的人員都應當具備這些知識。
無塵室的結構一般而言都是由天花板送出空氣氣體(down flow)的0.2 ~ 0.4m/s的流速，再由網格狀地板回收，再經過物理性及化學性的過濾器到天花板送出空氣氣體，如此不斷地循環。一般在無塵室的溫度大約必須維持在23℃正負約3℃，而濕度約45%正負15%左右。
還有一點必須特別注意的是無塵室內部氣壓絕對要比室外氣壓大，主要是避免外部的髒空氣因氣壓差的關係跑到無塵室內，污染無塵室的潔淨度。所以，我們也知道一個大的無塵室空間內，若有些小區域需要更好的潔淨度，那這間小區域的氣壓絕對大於其它的空間。原因還是無它，就是擔心受污染。
既然無塵室那麼在意於受污染，那維持那這些潔淨度的程度關鍵就在人們在進入無塵室內需要著無塵衣、帽、鞋、口罩及手套等，因為無塵室最大的污染還是人們帶進污染物。所以，在無塵室工作的人員也需做好防護措施。有了適當這些裝備在進入無塵室時，仍要進入Air Show空氣淋浴室，及腳踏地板的黏著粒子膠墊，以確保在進入無塵室前將身體的污染粒子都完全移除。
2008年9月23日 星期二
Sensors and Actuators in your life
致動器與感測器
這學期修了一們課 ”致動器與感測器原理(Sensors and Actuators: principle and applications)”。在討論這門課之時，我們必須應該知道何謂”致動器Actuator”及”感測器Sensor”。以老師上課的定義而言，先說明感測器Sensor: A device that captures information about the environment and converts it into a usable data signal.這句話的意示是，一個可以從環境中獲取資料然後再轉換成有用數據信號的元件。而致動器則為:a device that converts data signals into a useful modification of the environment.一個可以將數據資料信號轉換為環境的形式。
但從我過去學習經驗的定義中而言，我認為Sensor可以定義為:可以將所有物理及化學表現的狀態轉換成電子訊號的元件。Actuator則是定義為:一個可以將所有電子訊號去處理具有物理及化學現象的元件。所以說，Sensor或Actuator都是一種元件、裝置。他們的表現方式是相輔而成，只不過對於訊號、行為的轉換是相反的處理方式。不論是Sensor或者是Actuator都時常利用在我們的生活之中。比方說，我們目前最有趣的電子娛樂商品wii裡面則有一些Sensor及Actuator，其中感應我們速度動作的微加速器就是其中一例。再來，在汽車工業中也有一些感測器是應用在汽車中的安全氣囊，藉由碰撞到感測器之後驅動氣囊的開啟以保護乘車中的人員安全。
我們可以這麼認為，Sensor可以當作是一個機器人感覺器官，可以是眼睛的視覺、鼻子的嗅覺、耳朵的聽覺或嘴巴的聲覺。而Actuator則是我們的四肢，負責我們的行為如:拿東西、搬東西、推東西或傳遞東西等。這ㄧ些元件都可以說是仿造我們人類所有的行為。一切都是以”人”作為出發點去研製sensor或actuator的作動。但是，有一些感覺是機器無法完成的，例如:人的第六感(Sixth sense)就很難去研製出來。我認為這ㄧ類的sensor是需要靠情感(emotion)為出發點。但是，情感要如何去定義，所以先從定義而言似乎就很困難，更遑論要研製出一個能感測出人類第六感的sensor。因此，這是我認為最困難的部份。也許有些人會問，如何做出一個具有多種感測功能的感測器是一件很困難的事。但是，事實上這要看是用什麼條件去定義這ㄧ個多功能的感測器。有人會覺得具有三個左右感測功能就算多功能了，但有的人認為需要十個以上才算多功能sensor。比方說:一個嘴巴構造可以藉由聲帶震動發出聲音，但也可以具有舌頭一樣的功能感測出酸甜苦辣的感覺。這一切的感覺都可由一個嘴巴為代表，表現出各式各樣的功能。
總之，我認為將來不論是Sensor或Actuator都有可能結合起來在ㄧ個積體電路上成為超強多功能的晶片。但是，第六感的感測方式呢?也許路還很遙遠，但我真的很想知道能用什麼方式感測到人類的第六感。也許，將來發明出來這ㄧ個第六感感測器(sixth sense’s sensor)之後，我們也能和機器人做好朋友，向它們舒發我們的情感。
這學期修了一們課 ”致動器與感測器原理(Sensors and Actuators: principle and applications)”。在討論這門課之時，我們必須應該知道何謂”致動器Actuator”及”感測器Sensor”。以老師上課的定義而言，先說明感測器Sensor: A device that captures information about the environment and converts it into a usable data signal.這句話的意示是，一個可以從環境中獲取資料然後再轉換成有用數據信號的元件。而致動器則為:a device that converts data signals into a useful modification of the environment.一個可以將數據資料信號轉換為環境的形式。
但從我過去學習經驗的定義中而言，我認為Sensor可以定義為:可以將所有物理及化學表現的狀態轉換成電子訊號的元件。Actuator則是定義為:一個可以將所有電子訊號去處理具有物理及化學現象的元件。所以說，Sensor或Actuator都是一種元件、裝置。他們的表現方式是相輔而成，只不過對於訊號、行為的轉換是相反的處理方式。不論是Sensor或者是Actuator都時常利用在我們的生活之中。比方說，我們目前最有趣的電子娛樂商品wii裡面則有一些Sensor及Actuator，其中感應我們速度動作的微加速器就是其中一例。再來，在汽車工業中也有一些感測器是應用在汽車中的安全氣囊，藉由碰撞到感測器之後驅動氣囊的開啟以保護乘車中的人員安全。
我們可以這麼認為，Sensor可以當作是一個機器人感覺器官，可以是眼睛的視覺、鼻子的嗅覺、耳朵的聽覺或嘴巴的聲覺。而Actuator則是我們的四肢，負責我們的行為如:拿東西、搬東西、推東西或傳遞東西等。這ㄧ些元件都可以說是仿造我們人類所有的行為。一切都是以”人”作為出發點去研製sensor或actuator的作動。但是，有一些感覺是機器無法完成的，例如:人的第六感(Sixth sense)就很難去研製出來。我認為這ㄧ類的sensor是需要靠情感(emotion)為出發點。但是，情感要如何去定義，所以先從定義而言似乎就很困難，更遑論要研製出一個能感測出人類第六感的sensor。因此，這是我認為最困難的部份。也許有些人會問，如何做出一個具有多種感測功能的感測器是一件很困難的事。但是，事實上這要看是用什麼條件去定義這ㄧ個多功能的感測器。有人會覺得具有三個左右感測功能就算多功能了，但有的人認為需要十個以上才算多功能sensor。比方說:一個嘴巴構造可以藉由聲帶震動發出聲音，但也可以具有舌頭一樣的功能感測出酸甜苦辣的感覺。這一切的感覺都可由一個嘴巴為代表，表現出各式各樣的功能。
總之，我認為將來不論是Sensor或Actuator都有可能結合起來在ㄧ個積體電路上成為超強多功能的晶片。但是，第六感的感測方式呢?也許路還很遙遠，但我真的很想知道能用什麼方式感測到人類的第六感。也許，將來發明出來這ㄧ個第六感感測器(sixth sense’s sensor)之後，我們也能和機器人做好朋友，向它們舒發我們的情感。
2008年9月12日 星期五
離別是最好的開始
2008年9月12日是我在中央研究院工作的最後一天，也是我邁向人生中另一個知識殿堂--「國立臺灣大學」的開始。在中研院工作是我這一生中第一份正常的工作。我自認為自己是一個非常幸運而且非常幸福的人，能在這工作、學習、甚至認識許許多多在科學界有名的學者、研究員、科學家及交到許多好朋友。這一連串的過程是多麼難以令人想像的事，不過我卻嘗試到了。這是上天對我的眷顧也是對我的憐愛。所以，這一切的一切我會時常感激在心中。
太楓老師:
您的教誨與鼓勵我將永銘於心。您淵博的學識與學者的風範是我畢生追求的榜樣及學習的對象。並且對於你過去對我的期許，我將全力以赴達成，以回報當初對我的支持。
君山老師:
您是我進入中研院、參與跨國計畫的關鍵重要人物。沒有您當初的賞識我也沒有現在這般國際化視野。感謝您帶領我進入另一扇知識的櫥窗。未來我將繼續持續增加及參與國際化事業與活動並且回報社會，以謝您當初對我的提攜。
春燕老師:
感謝您在我中研院工作期間，給我不斷的叮嚀、教導。您每一次的敏銳的想法與精湛的邏輯思考，是我一直效法的對象。我一直確信，因為與您朝夕相處的學習，已經增加了我未來從事研究工作的能力。未來，我仍將持續發揚您當初對我的教導，讓更多人了解您那完善的做研究能力。
妮容、子琪:
在中研院工作期間讓我遇到許多工作上的貴人，也讓我遇見妳倆這麼患難與共的好朋友。妳們是我在中研院能持續工作的活力，也是我遇到挫折時能給我安慰的摯友。也許，未來無法再一起工作，但是妳們卻豐富了我在中研院美好的工作時光。真的謝謝妳們。
摯愛女友TINA:
感謝我摯愛的女友TINA這一路上的支持與鼓勵，也讓我有這個契機能進入中研院工作。能在中研院工作是我這生中感覺最棒的事之ㄧ。是你讓我實現這件那麼美的事。我一直認為今天能有這麼棒的工作資歷，這一切的榮耀除了歸功於天更要歸功於妳，也藉此向妳表達真摯的感恩與感謝。未來我將繼續為我倆美好的未來努力，不遑你一直以來對我的指引及鼓勵。
中研院中我遇到的貴人們:
感謝你們這期間對我的幫助，你們當初的幫助我將永銘於心，再次感謝你們。謝謝。
我一直是最幸運的人。能在全國最高學術機關工作、能參與美國NASA國際化跨國研究計畫、能在生命中遇見許多貴人、能在生命中適時的遇見幫助我的人，這所有的一切我將永遠懷著感激的心。我認真的自我期許，有朝一日當我能力越大時，我必定幫助更多的人，讓他們也能感受這生命中的溫暖，就像我此刻的心情一樣，離別中研院，更大步的邁向台大去追尋我生命中光明的天空。未來，我將正面邁向我還未完成的人生目標，昂首闊步向前行，繼續努力編織我未完成的理想。未來! 我來了!
太楓老師:
您的教誨與鼓勵我將永銘於心。您淵博的學識與學者的風範是我畢生追求的榜樣及學習的對象。並且對於你過去對我的期許，我將全力以赴達成，以回報當初對我的支持。
君山老師:
您是我進入中研院、參與跨國計畫的關鍵重要人物。沒有您當初的賞識我也沒有現在這般國際化視野。感謝您帶領我進入另一扇知識的櫥窗。未來我將繼續持續增加及參與國際化事業與活動並且回報社會，以謝您當初對我的提攜。
春燕老師:
感謝您在我中研院工作期間，給我不斷的叮嚀、教導。您每一次的敏銳的想法與精湛的邏輯思考，是我一直效法的對象。我一直確信，因為與您朝夕相處的學習，已經增加了我未來從事研究工作的能力。未來，我仍將持續發揚您當初對我的教導，讓更多人了解您那完善的做研究能力。
妮容、子琪:
在中研院工作期間讓我遇到許多工作上的貴人，也讓我遇見妳倆這麼患難與共的好朋友。妳們是我在中研院能持續工作的活力，也是我遇到挫折時能給我安慰的摯友。也許，未來無法再一起工作，但是妳們卻豐富了我在中研院美好的工作時光。真的謝謝妳們。
摯愛女友TINA:
感謝我摯愛的女友TINA這一路上的支持與鼓勵，也讓我有這個契機能進入中研院工作。能在中研院工作是我這生中感覺最棒的事之ㄧ。是你讓我實現這件那麼美的事。我一直認為今天能有這麼棒的工作資歷，這一切的榮耀除了歸功於天更要歸功於妳，也藉此向妳表達真摯的感恩與感謝。未來我將繼續為我倆美好的未來努力，不遑你一直以來對我的指引及鼓勵。
中研院中我遇到的貴人們:
感謝你們這期間對我的幫助，你們當初的幫助我將永銘於心，再次感謝你們。謝謝。
我一直是最幸運的人。能在全國最高學術機關工作、能參與美國NASA國際化跨國研究計畫、能在生命中遇見許多貴人、能在生命中適時的遇見幫助我的人，這所有的一切我將永遠懷著感激的心。我認真的自我期許，有朝一日當我能力越大時，我必定幫助更多的人，讓他們也能感受這生命中的溫暖，就像我此刻的心情一樣，離別中研院，更大步的邁向台大去追尋我生命中光明的天空。未來，我將正面邁向我還未完成的人生目標，昂首闊步向前行，繼續努力編織我未完成的理想。未來! 我來了!
2008年7月31日 星期四
不可忽視的光電效應(Photoelectric effect)
最近這幾天在研讀感測器時，就憑直覺的從光感測器方面著手。在研讀的過程中，發現光感測器的原理竟是「光電效應」(Photoelectric effect)。
在日常生活中，我們身邊有太多太多的物品與光電效應有關，例如: 去便利商店買東西時，有自動門會自動開啟。傍晚時，路燈會自動點亮，或者是連酒駕時的酒精測試儀都與光電效應息息相關。然而，成功詮釋光電效應的人就是近代科學最著名的Albert Einstein。也就是因為Albert Einstein能完全詮釋光電效應的現象，1921年Albert Einstein獲得諾貝爾物理獎。有一點要知道，Albert Einstein不是因為相對論而得到諾貝爾物理獎。這一點有許多人還不是很清楚。所以，要切記。
事實上，光電效應並不是Albert Einstein發現的現象。早在1888年，在法國的物理學家Hollwachs就曾發現利用光照射在鋅板上就會有「光致電離」的現象。剛開始，我以直不懂光電效應時，我看到「光致電離」這四個字就有點困惑。終於，了解之後我是這麼解釋「光致電離」這四個字的意思。光致: 光到了金屬表面，電離: 電子就離開金屬表面。所以，顧名思義，利用光照射在金屬板上，金屬內的電子就會離開金屬表面，成為光電子(Photoelectron)。
在這現象出現之後，就有許多科學家相繼研究光與電子之間的關係。一直到，德國物理學家P. Lenard歸納整理出三點:
1. 入射光的能量與光電子成線性關係。
2. 特定的金屬要產生光電子，需要有特定頻率的入射光。
3. 光電子的動能與光頻率乘線性關係。
隨後，1900年德國物理學家M. Planck提出光粒子說的概念。他認為光如電磁波一般塊包狀，稱之為量子(Quantum)。量子就是物理量中的最小單位，是個離散值。例如: 光子就是場或波所量化的粒子。而M. Planck在量子理論中，也提出微觀世界的尺寸: Planck constant = 6.626 x 10^-34 J‧S。Planck constant與光子頻率的乘積就是光子的「動能」。方程式為E = hv 。E為光子的動能。v為光子頻率。
Albert Einstein一直相信，光是以粒子的型態出現。也是光粒子說的代表人物。他認為光是不連續的，是離散的。而他也認為頻率越高的光子越能將金屬內的電子帶出表面，而成為光電子。就算是擁有強光源，配合紅光的頻率低、波長較長(能量低)也無法產生光電子。然而，若微弱光源配合藍光的頻率高、波長較短(能量高)卻可以產生光電子。因此，要產生光電子時，與光源的強度無關，反而是與頻率有關。Albert Einstein更提出要使電子離開金屬表面時所需要的功。成為日後知名的光電方程式: E = hv –Φ。Φ稱之為功函數。 以上這些理論最後都由美國物理學家Robert Millikan所一一證實。
因此，我們再來整理一次光電效應的結論:
1.光子的動能E與光子的頻率v呈線性關係。由光電方程式: E = hv –Φ得知，光子頻率越大，光子的動能就越大。
2.光源的強弱與光子數多寡有關。例如: 光源有強有弱，有兩個光相比較時，有的光源比較強，有的光源比較弱，就代表強光源包含的光子較多，弱光源包含光子較少。
3.個別光子的頻率決定個別光子的能量。例如: 若有光源強度一樣的兩個光，一個頻率高，另一個頻率較低。頻率較高可以產生光電子，頻率較低則不行。所以也可以說頻率高的光子能量較強。
總結，Albert Einstein的光電效應為了我們目前帶來了極大的便利性，也影響我們日後生活的重大改變。但是，Albert Einstein在他有生之年似乎沒有見到這些成果所帶來的便利性。反而是在他有生之年見到了他所提出的原子彈理論，並且改變了日後國與國之間的戰爭模式。這一點是多麼大的諷刺。所以，在應用或學習科學之時，多培養文人教育也是必要的。
從這裡我也發現Albert Einstein的成功似乎也不是他完全憑空想像而來，所有的見解都是出自於前人所發現的現象。 所以，平時多培養自己獨特的想法，多發揮想像力時，更要努力厚植基礎學科，提出更多具有理論基礎的假說或假設，或許有一天也能像Albert Einstein一樣成功的詮釋尚未成熟的理論。
在日常生活中，我們身邊有太多太多的物品與光電效應有關，例如: 去便利商店買東西時，有自動門會自動開啟。傍晚時，路燈會自動點亮，或者是連酒駕時的酒精測試儀都與光電效應息息相關。然而，成功詮釋光電效應的人就是近代科學最著名的Albert Einstein。也就是因為Albert Einstein能完全詮釋光電效應的現象，1921年Albert Einstein獲得諾貝爾物理獎。有一點要知道，Albert Einstein不是因為相對論而得到諾貝爾物理獎。這一點有許多人還不是很清楚。所以，要切記。
事實上，光電效應並不是Albert Einstein發現的現象。早在1888年，在法國的物理學家Hollwachs就曾發現利用光照射在鋅板上就會有「光致電離」的現象。剛開始，我以直不懂光電效應時，我看到「光致電離」這四個字就有點困惑。終於，了解之後我是這麼解釋「光致電離」這四個字的意思。光致: 光到了金屬表面，電離: 電子就離開金屬表面。所以，顧名思義，利用光照射在金屬板上，金屬內的電子就會離開金屬表面，成為光電子(Photoelectron)。
在這現象出現之後，就有許多科學家相繼研究光與電子之間的關係。一直到，德國物理學家P. Lenard歸納整理出三點:
1. 入射光的能量與光電子成線性關係。
2. 特定的金屬要產生光電子，需要有特定頻率的入射光。
3. 光電子的動能與光頻率乘線性關係。
隨後，1900年德國物理學家M. Planck提出光粒子說的概念。他認為光如電磁波一般塊包狀，稱之為量子(Quantum)。量子就是物理量中的最小單位，是個離散值。例如: 光子就是場或波所量化的粒子。而M. Planck在量子理論中，也提出微觀世界的尺寸: Planck constant = 6.626 x 10^-34 J‧S。Planck constant與光子頻率的乘積就是光子的「動能」。方程式為E = hv 。E為光子的動能。v為光子頻率。
Albert Einstein一直相信，光是以粒子的型態出現。也是光粒子說的代表人物。他認為光是不連續的，是離散的。而他也認為頻率越高的光子越能將金屬內的電子帶出表面，而成為光電子。就算是擁有強光源，配合紅光的頻率低、波長較長(能量低)也無法產生光電子。然而，若微弱光源配合藍光的頻率高、波長較短(能量高)卻可以產生光電子。因此，要產生光電子時，與光源的強度無關，反而是與頻率有關。Albert Einstein更提出要使電子離開金屬表面時所需要的功。成為日後知名的光電方程式: E = hv –Φ。Φ稱之為功函數。 以上這些理論最後都由美國物理學家Robert Millikan所一一證實。
因此，我們再來整理一次光電效應的結論:
1.光子的動能E與光子的頻率v呈線性關係。由光電方程式: E = hv –Φ得知，光子頻率越大，光子的動能就越大。
2.光源的強弱與光子數多寡有關。例如: 光源有強有弱，有兩個光相比較時，有的光源比較強，有的光源比較弱，就代表強光源包含的光子較多，弱光源包含光子較少。
3.個別光子的頻率決定個別光子的能量。例如: 若有光源強度一樣的兩個光，一個頻率高，另一個頻率較低。頻率較高可以產生光電子，頻率較低則不行。所以也可以說頻率高的光子能量較強。
總結，Albert Einstein的光電效應為了我們目前帶來了極大的便利性，也影響我們日後生活的重大改變。但是，Albert Einstein在他有生之年似乎沒有見到這些成果所帶來的便利性。反而是在他有生之年見到了他所提出的原子彈理論，並且改變了日後國與國之間的戰爭模式。這一點是多麼大的諷刺。所以，在應用或學習科學之時，多培養文人教育也是必要的。
從這裡我也發現Albert Einstein的成功似乎也不是他完全憑空想像而來，所有的見解都是出自於前人所發現的現象。 所以，平時多培養自己獨特的想法，多發揮想像力時，更要努力厚植基礎學科，提出更多具有理論基礎的假說或假設，或許有一天也能像Albert Einstein一樣成功的詮釋尚未成熟的理論。
2008年7月11日 星期五
有趣之光學歷史--光的特性(Optics)
究竟光是以「粒子」狀態存在，還是「波動」狀態存在呢? 這其實這是一件非常有趣且非常特別的故事。
首先，我們先來討論波動的形態。我們知道水波、聲波都很容易出現在我們的日常生活中。水波的產生可以藉由水、液體等介質產生並且傳播。而聲波的傳遞卻是藉由空氣傳播。你必須知道，還好聲波是需要介質才可以聽到聲音，否則地球以外的宇宙如果每分每秒都有隕石撞擊所發出來的巨響，那我們還真的受不了。
因此，既然波動的存在需要由介質才有可能發生，難道光的傳輸也是藉由某種介質，而發生傳遞的嗎? 如果光是由藉由空氣或液體傳遞，為何太陽光在傳遞到地球過程中，宇宙真空狀態還有某種東西存在，只是我們不知道嗎? 所以光究竟是不是一種波，以及這種光波到底是不是藉由某種物質來傳遞，成了以前科學家們一直很頭疼的問題。
有一些科學家因為一直百思不得其解，所以選擇提出一些光的定理，例如: 偉大的科學家牛頓則提出光是一種粒子型態產生。牛頓認為光是由非常微小的粒子所組成，而且速度極快，可以穿透明物質，若遇到不明物體還會反射或折射。牛頓認為光以粒子的形態出現，會呈直線前進，而且快速飛過。若光束交會時，因為粒子的體積極小，彼此也不會受到任何影響。再來，光有多種顏色，即因為光粒子有多種不同顏色。最後是光經過碰撞後，速度不會改變，原因是因為光粒子是完全的彈性體。
但是，妳必須知道，其實牛頓這些假設並不完全正確。這些光的粒子說，一直被1803年Thomas Young的光干涉理論完全推翻。所以，我必須明白的告訴你。因為，牛頓過去在力學方面提出的卓越貢獻，讓世人稱羨不已。但也因為如此，牛頓的光粒子說在Thomas Young提出光干涉理論之前就喧騰了100多年之久。只是，偉大的牛頓真的錯了嗎? 難道光的粒子說從此消失了嗎?
既然，光已不是粒子說的理論被證實，那光很有可能是波動的形態產生，只是以目前的科學技術，無法量測出這種介質的存在嗎? 果然，在光不是以粒子說的理論出現後，部分科學家們突發奇想，提出一種很特別的介質--「Etheric」。
Etheric中文稱「乙太」。是由希臘哲學家想出來的一種物質。在17世紀時，用來解釋光的傳遞現象。科學家們認為光可以通過任何物質，完全是藉由乙太來傳遞，而乙太的存在是無所不在、不佔有空間也不具有質量，更重要的是乙太是絕對靜止。
妳能想像嗎? 這個乙太最後由1887年Albort A. Michelson及Edward W Moley證實，世界上根本沒有乙太。不過，跟你說個小故事，當初Albort A. Michelson及Edward W Moley一直相信有乙太的存在，而且也一直從事這方面的研究，可是就是怎麼量、怎麼測，都量測不出來。最後只有宣告實驗失敗。這一個失敗改變了過去乙太從提出來長達400年之久的概念，科學家們最後明白，當初乙太這個莫名奇妙的物質，一直以來都不存在。你也可以想想「失敗為成功之母」這句話，恰好印證在Albort A. Michelson及Edward W Moley這兩個人身上。
最後，科學家們只有接受一個答案，一個給光既不是粒子也不是波動，而是一種「特殊的波」，一種不需要介質且能傳遞的波。這個答案是妳我都必須接受的答案。除非你能想出更特別且更合理的答案來形容光的傳遞性質。但是，光不是「特殊的粒子」有些科學家們也很不認同，畢竟在某些物理現象，還是很符合光的粒子說概念。
所以，光是一種特殊的波理論成形後，很多人不服氣，認為問題根本沒有得到合理且滿意的答案。終於，近世紀最偉大的科學家Albort Einstein於1905年發表On a heuristic point of view concerning the generation and transformation of light的論文，提出光量子的觀念，清楚解釋光電效應理論，確立了光的粒子說概念。也因為光電效應理論的提出，Albort Einstein於1921年獲得諾貝爾物理獎。
總結，妳聽到了這麼多，到底光是粒子還是波動形態出現呢? 相信你心中應該有些想法。不論光是粒子還是波動形態的出現，光都同時具有這兩種特性。在某些情況下，光可以用波動的特性加以描述，而粒子的特性就會逐漸消失。相反的，以光電效應而言的粒子說，則波動的特性就無法支持。因此，光是波動，也是粒子，兩者可完全依不同情況下去加以解釋。
首先，我們先來討論波動的形態。我們知道水波、聲波都很容易出現在我們的日常生活中。水波的產生可以藉由水、液體等介質產生並且傳播。而聲波的傳遞卻是藉由空氣傳播。你必須知道，還好聲波是需要介質才可以聽到聲音，否則地球以外的宇宙如果每分每秒都有隕石撞擊所發出來的巨響，那我們還真的受不了。
因此，既然波動的存在需要由介質才有可能發生，難道光的傳輸也是藉由某種介質，而發生傳遞的嗎? 如果光是由藉由空氣或液體傳遞，為何太陽光在傳遞到地球過程中，宇宙真空狀態還有某種東西存在，只是我們不知道嗎? 所以光究竟是不是一種波，以及這種光波到底是不是藉由某種物質來傳遞，成了以前科學家們一直很頭疼的問題。
有一些科學家因為一直百思不得其解，所以選擇提出一些光的定理，例如: 偉大的科學家牛頓則提出光是一種粒子型態產生。牛頓認為光是由非常微小的粒子所組成，而且速度極快，可以穿透明物質，若遇到不明物體還會反射或折射。牛頓認為光以粒子的形態出現，會呈直線前進，而且快速飛過。若光束交會時，因為粒子的體積極小，彼此也不會受到任何影響。再來，光有多種顏色，即因為光粒子有多種不同顏色。最後是光經過碰撞後，速度不會改變，原因是因為光粒子是完全的彈性體。
但是，妳必須知道，其實牛頓這些假設並不完全正確。這些光的粒子說，一直被1803年Thomas Young的光干涉理論完全推翻。所以，我必須明白的告訴你。因為，牛頓過去在力學方面提出的卓越貢獻，讓世人稱羨不已。但也因為如此，牛頓的光粒子說在Thomas Young提出光干涉理論之前就喧騰了100多年之久。只是，偉大的牛頓真的錯了嗎? 難道光的粒子說從此消失了嗎?
既然，光已不是粒子說的理論被證實，那光很有可能是波動的形態產生，只是以目前的科學技術，無法量測出這種介質的存在嗎? 果然，在光不是以粒子說的理論出現後，部分科學家們突發奇想，提出一種很特別的介質--「Etheric」。
Etheric中文稱「乙太」。是由希臘哲學家想出來的一種物質。在17世紀時，用來解釋光的傳遞現象。科學家們認為光可以通過任何物質，完全是藉由乙太來傳遞，而乙太的存在是無所不在、不佔有空間也不具有質量，更重要的是乙太是絕對靜止。
妳能想像嗎? 這個乙太最後由1887年Albort A. Michelson及Edward W Moley證實，世界上根本沒有乙太。不過，跟你說個小故事，當初Albort A. Michelson及Edward W Moley一直相信有乙太的存在，而且也一直從事這方面的研究，可是就是怎麼量、怎麼測，都量測不出來。最後只有宣告實驗失敗。這一個失敗改變了過去乙太從提出來長達400年之久的概念，科學家們最後明白，當初乙太這個莫名奇妙的物質，一直以來都不存在。你也可以想想「失敗為成功之母」這句話，恰好印證在Albort A. Michelson及Edward W Moley這兩個人身上。
最後，科學家們只有接受一個答案，一個給光既不是粒子也不是波動，而是一種「特殊的波」，一種不需要介質且能傳遞的波。這個答案是妳我都必須接受的答案。除非你能想出更特別且更合理的答案來形容光的傳遞性質。但是，光不是「特殊的粒子」有些科學家們也很不認同，畢竟在某些物理現象，還是很符合光的粒子說概念。
所以，光是一種特殊的波理論成形後，很多人不服氣，認為問題根本沒有得到合理且滿意的答案。終於，近世紀最偉大的科學家Albort Einstein於1905年發表On a heuristic point of view concerning the generation and transformation of light的論文，提出光量子的觀念，清楚解釋光電效應理論，確立了光的粒子說概念。也因為光電效應理論的提出，Albort Einstein於1921年獲得諾貝爾物理獎。
總結，妳聽到了這麼多，到底光是粒子還是波動形態出現呢? 相信你心中應該有些想法。不論光是粒子還是波動形態的出現，光都同時具有這兩種特性。在某些情況下，光可以用波動的特性加以描述，而粒子的特性就會逐漸消失。相反的，以光電效應而言的粒子說，則波動的特性就無法支持。因此，光是波動，也是粒子，兩者可完全依不同情況下去加以解釋。
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