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。

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。

與光有關的商品開發~藍光光碟(Blu-ray Disc)

藍光光碟（Blu-ray Disc；BD），是由Sony為首企業所組成的「藍光光碟聯盟」（Blu-ray Disc Association）。其創始組織由Sony、TDK、Thomson、戴爾、LG電子、惠普、日立、松下電子、夏普電子、三菱、先鋒、飛利浦及三星電子等13個組織。其目的是開發更先進的光碟格式。

目前市面上的光碟有DVD及CD規格等產品，但在未來將有藍光光碟的問世。以藍光光碟而言，顧名思義，就是利用藍光光源來作為讀取、儲存的光源，其波長為405nm。而DVD是以紅光650nm來應用，CD則是以780nm波長來使用。

因此，藍光則有利於光碟進行高密度的紀錄與儲存。所以，對於高解析度(1920*1080)畫面的呈現或高容量的資料儲存就可以在藍光光碟中實現。

目前，藍光光碟一片約可儲存50GB資料。而DVD約能儲存4.7GB(一般實際僅能4.4GB)。CD則更少，一片約650MB。所以，藍光光碟的資料儲存就有大約DVD的11.3倍。

當然，我們必須想想為何藍光有如此辦法記錄這麼多資料?以藍光的405nm波長，配合SONY為首的Blu-ray Disc在採用物鏡規格NA為0.85縮小光點的尺寸，從單一紀錄點的大小而言，藍光可在140nm~200nm紀錄一點，而DVD則為400nm紀錄一點，CD就更少了，大約500nm。

所以，從光源顏色的開發，人類已從紅光一直演進到藍光的階段。在藍光的光源開發中，過去已成功開發紅光及綠光。但在藍光的發展中，才在1993年的日本日亞化工 (Nichia Corporation)工程師中村修二（Shuji Nakamura）利用半導體材料氮化稼（GaN）及銦氮化稼（InGaN）更實際開發出具有藍光的LED。

補充對於LED的認識。LED (Light Emitting Diode)中文稱作發光二極體。其結構與一般PN二極體類似，利用電子及電洞對變化位置的關係，從激態降到基態的能量過程中，便產生光子釋出(E=hv)，恰好這光子能量釋出便在可見光譜的範圍內。所以，我們能夠看見光的狀態。

依據光學理論而言，白光是由藍、綠和紅光組合產生。不過，市面上的白光LED卻不是利用藍、綠和紅光組合產生白光。目前是利用InGaN藍光晶粒的460nm波長，在晶粒上塗抹一層淡黃色YAG(Yttrium Aluminum Garnet)磷光體，利用LED晶粒發出的藍光，配合磷光體的轉換，變成一個光譜中心580nm為主的黃光。接著，配合透鏡原理將互補的黃光、藍光加以混合，便可產生白光。但是，這種方法的其缺點是，在藍光轉換成黃光的過程中，部份藍光能量會損失，其發光效率僅達36 lm/W。

此外，另一種產生白光的方法，由日本住友電工Sumitomo Electric利用ZnSe材料研製的白光LED。其技術不需要使用螢光體，並且在ZnSe單晶基板上形成CdZnSe薄膜，導電後使薄膜發出藍光，同時利用藍光與基板的反應產生黃光，最後配合藍、黃光形成互補色形成白光。其優點是操作電壓僅2.7V比InGaN的3.5V要低。但是，發光效率僅8 lm/W，實在過低。

最後，我們必須知道，白光是多種顏色混合而成的光，而白光LED的開發基礎在於藍光技術的開發。

有趣的光學反射(Catoptrics)

光是粒子及電磁波的一種。光會沿著介質或真空直線前進。對於任何表面，只要光射入時都會有反射現象的產生，只是程度多少罷了。一般而言，根據光反射的定理而言(如圖所示)，可以得知:

1、入射角等於反射角。
2、法線會介於入射線與反射線之間。

這就是簡單的光反射定理。就像鏡子裡的像，也是依據反射定理所產生的。但是，有些人會疑惑，為何有些光線照射在某些物體不會反射?原因是因為，在這些物體中以微觀的角度而言，有太多反射面，讓光無法一般性的照射某一特定方向。通常，我們稱之為漫射(Diffuse)。例如:拿手電筒照衣服。為何衣服不會像鏡子一樣有強勁的反射光出現。所以親愛的妳，知道這個現象了吧。

接著，我們再來討論關於反射所產生的現象。在光的反射中，我們有時會看到一些像的產生。例如:在大太陽下，妳有時會因為愛漂亮，會利用汽車車窗的鏡子看自己臉上哪裡有東西。這些像的產生都與反射有很直接的關係。說到這些像，其實還有「實像」及「虛像」之分。

虛像就像是鏡子一樣。在一個鏡面或透鏡中成像，例如:妳在照鏡子化妝，就是鏡子所產生的虛像。那何謂實像呢?
實像就是在光經過鏡子、透鏡時會在鏡子或透鏡後面的屏幕(可以想像是一塊白布)會有像的形成，這就是實像。
說到這裡，親愛的妳應該知道，在電影院看「慾望城市」的妳，看到的都是實像。

最後，有一個小叮嚀。你有見過黑色的光嗎?
這是不可能的。因為世界上沒有黑色的光存在。光有各種顏色，如:藍光、綠光或紅光等，就是沒有黑光。我們在日光燈照射下的光，既不是藍光、綠光更不是白光，而是透明的光。但是，這透明的光其實是藍光、綠光及紅光的組成，一般也稱作光的三原色。你看看，光的反射很有趣吧。

Andy J. Zhen學習心思路程~1

我該如何妥善的讀書安排時間?
今天在上班的時間瀏覽了一篇關於光學方面的資料。以目前的想法而言，是如何以有限的時間去安排未來該讀書的日子。總是覺得以目前的情況而言，是無法好好利用有效的時間去讀書。

目前對於以後要唸書的科目雖然有點害怕，原因是因為未來的學業挑戰似乎有點困難。對一個陌生的環境而言，當然是希望有更多的人，能夠給我更多的協助、給我更多的意見。許多人說也許是我顧忌太多了，但是，也許有更多的顧忌才能激發更多的潛能，因為，我總覺得以不容易態度，才有可能盡最大的力氣去面對未來的挑戰。關於這部分是我以獅子撲象的態度去接受未來突如其來的艱困挑戰，我一直以為這才是最好的態度。

關於未來的唸書計畫，我認為我現在應該以光學基礎的部份加以補強。陳老師(小老板)給我的建議是，能夠在進入臺大之前多加以補強在光學方面的基礎知識，尤其是能夠利用有限的時間增進在近場光學部份的能力。我很感謝老師給我的意見，我似乎也這麼覺得。

但是，我覺得我在基礎光學的部分能夠再加強，因為高樓平地起所以我現在應該是，專注在基礎光學的部份，將我所學、所見及所想的都反映在我的blog中，我真的發現，在blog中發表我所學的知識，並且加以有效整理確實有所吸收。而且在blog中呈現我的經驗更讓我加深印象，尤其是無比的成就感。

因此，就這麼決定了，這個星期將再次的複習基礎光學的部份。我相信在這一次的學習及整理一定對我有所幫助。未來，在說給陌生的人聽時，如果他們真能聽懂我的解釋，我就成功了。也許，將來還可以出版一本「寫給學物理以外領域人的書」。

妳會想懂的--奈米科技(Nano technology)

奈米這一個名詞其實只是度量衡單位的表示。即nanometer(nm)，也是常見的 nm = 10-9 meter表示方式。(10-9念作10的負9次方)

通常，我們可以利用物質的特性如：物理特性、化學特性或材料特性等，將物質裡的原子、分子組合或分解具有奈米等級的結構。比方說，有一個魚網可以捕捉10立方公尺的魚，如果我們製作出一個可以捕捉10-9立方公尺的漁網，那所有魚包刮魚卵、甚至魚細菌都可以一網打盡(當然、我們好像只能品嚐出大魚的口感，對於魚卵或魚細菌好像沒甚麼感覺)。

奈米科技是一種嶄新的技術。它有別於一般傳統技術加工。傳統技術都事先取得一塊大材料，然後再雕刻、製作、組合出成品。通常我們稱作「由上而下(top-down)」的製作方式。

但是，奈米科技正好相反，是一種「由下而上(down-top)」的製作方式。怎麼說呢 ? 我們將物質最深層結構的原子、分子組合或分解，並逐漸製作出實用的成品，一直做到大，這樣就是由下而上的製作方式。

奈米科技的應用、研究範圍非常廣泛。並不侷限任何一種領域，凡舉軍事、醫學、娛樂等都有奈米科技的身影，只要研究的目標介於 1 - 100 nm大小的研究都可以視為奈米技術。

其實、說穿了，奈米科技仍是依據自己設計的需求，藉由操控原子、分子在奈米尺度上表現出來的特性，並加以組合或分解製作出具有特定功能的產品。

說到這哩，親愛的妳應該了解我在做甚麼了?

結著，跟你說一件事，你能夠想像奈米到底有多小嗎 ? 一般人會說：「就10-9啊。」這樣說的確沒錯。但是對於陌生的初學者來說，好像還是很難想像吧。讓我來解釋給你聽，地球直徑約13萬公里，如果縮小約10-9倍，就會是大約一顆彈珠大小。(沒過彈珠 ! 那你一定是個女孩子。這樣說吧，大概就是小時候芭比娃娃珍珠項鍊的珍珠大小)。也許有些人另有些疑惑，地球多大也沒有大概的概念，既然如此，這樣真的很難解釋。

最後，我還想補充一點。既然奈米是10-9，那一般市面上所說的微米又是甚麼東西呢 ? 其實，微米也是度量衡的單位。即micrometer(µm)，也是常見的µm =10-6 meter表示方式。所以，一樣是一種單位大小的表示。