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何止九曲十三彎 捕捉多變的光蹤影

2021.11.10
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今期熱話

光與我們的生活息息相關,我們之所以能夠看到東西,正正是因為光綫照進我們的眼睛,到達視網膜,然後通過視神經把訊息傳到大腦,從而形成影像。可是,要全面剖析光並不容易。

我們不能徒手捕捉光,而光行走的速度又十分快(光速高達每秒三十萬公里),再加上不少光學現象令光綫的方向出現不同變化,因此要成為「追光者」,我們首先須要學習光的不同原理。



光綫——反射與折射

大家初接觸光學時,相信最先認識到的一些特性必定包括反射與折射。當光綫由一個物料走到另一個物料,基本上有三種情況會發生:

第一、物料吸收了光的一部分能量;

第二、 較透明的物料能夠讓光綫穿過,但其速度和方向都有機會改變,這就是折射;

第三、較不透明的物料會擋着光綫前進,光因而反彈回來,這就是反射。

圖一


圖二


光科技——光纖傳輸

從司乃耳定律,我們發現當光由低折射率的物料(光疏介質)走到高折射率(光密介質)的物料時,會向內折射,反之亦然。值得留意的是,由光密介質走至光疏介質時,由於光會向外折射,因此當入射角提升到某一個數值時,折射角會形成直角,亦即光會在界面上水平折射,我們會形容此入射角為臨界角。當入射角大於臨界角時,折射就不能發生,取而代之的是全內反射,亦即全部光綫都會反射回原來的介質之內。我們藉着這個現象研發出不少科技。

被譽為「光纖之父」的高錕,利用光作通訊之用,光在調變後就能「攜帶」資訊,之後把光綫射進細長的光導纖維中,就能把訊息傳到纖維的另一端。光導纖維其實有兩層,內層為光密介質,折射率極高,而外層則為光疏介質,當光射進內層後,就會因全內反射而難以從纖維的側面溢出,因此能有效減少訊息的傳輸損失,能作長途傳輸的媒介。

圖三


光的三種詮釋方法

上文提到光的一些反射和折射的特性,其實關於光的現象還有不少,不過單純把光當作光綫來看或會較難理解。一般而言,我們可從以下三個角度來分析光的特性:

1.光綫(幾何光學/射綫光學)

2.光波(物理光學/波動光學)

3.光子(現代光學/粒子光學)

我們剛才就利用光綫來理解反射和折射,接下來就從另外兩個角度看看更多光的有趣現象。

光波——認識繞射與干涉

繞射與干涉, 是「波」的重要特性,例如水波穿過狹窄的通道後會呈現圓形波幅(見圖四),又或是正對着門口說話但門後旁邊的人也能聽到,這都是繞射的效果;而數個波的互動會產生不同類型的干涉。

圖四


恰巧的是,光也能產生這現象,因此我們知道光不只是以光束存在,還會以波的形式出現。假如我們把一個光源照到一個由小刀在一塊紙板上刻出的一條直縫中,並在後面放上熒幕觀看光的影像,會發現這影像並不只是一條與該直縫一樣的光紋,而在此條紋的兩旁都有一些對稱但較暗的光紋,這正是繞射的效果。

物理學家湯馬斯.楊的雙縫實驗,我們能看到更多光暗相間的條紋,這是因為光波通過兩道狹縫後出現兩個光波,它們相互疊加(建設性干涉)或抵銷(破壞性干涉)而成。

繞射現象干擾觀星

在日常生活中,我們經常看到光的繞射現象。從上述實驗,我們知道當光照到一些細小的物件,光的路徑就會出現變化;而不同波長的光(亦即不同顏色)的繞射程度都有不同。例如CD的表面其實充滿不少狹小的凹坑,當白光射到這些坑時,不同顏色的光會產生各種繞射,所以CD的表面會反射着彩虹色彩,同樣的原理亦解釋了在雲霧裏看到的彩虹光環。

然而,繞射有時會影響我們觀察物件。以天文觀測為例,當星光射進望遠鏡,穿過圓形的透鏡時會產生一種名為艾里斑的圖案——由原本一個光點變成一個置中的明亮圓斑,加上外圍光暗相間的環狀條紋。當一張照片中有很多星體時,這些環狀條紋會造成干擾,影響我們分辨近距離的星。

圖五


光子——走到量子世界

光究竟是波還是粒子,在過去數百年來一直眾說紛紜,尤其在十七至十八世紀時,光微粒說與光波動說都各有支持說法。不過,自從楊氏雙縫實驗以來,人們開始偏向同意光是以波反應的形式存在,因為只有波才能有繞射和干涉的現象。後來,英國物理學家麥克斯韋在研究電、磁、光時,寫下麥克斯韋方程組,並預言光是一種電磁波。

電磁理論有所欠缺

這個電磁理論在當時看似有效概括光的所有原理,但後來不同科學家又嘗試了其他實驗,其結果卻不能由此理論解釋。在一些光化學實驗中,人們發現要令反應得以進行,並不能像經典電磁理論般提升輻照度(類近於光的亮度)就足夠,而是要增加光波的頻率到某一個數值才可以;亦即假如光的頻率不到此數值,即使大幅提升輻照度亦不能產生光化學反應。其他一些如黑體輻射的研究亦發現,把光當作波去理解就不能解釋有關現象。

愛因斯坦的光電效應

這個謎團來到愛因斯坦的手上終於得以解決。1905年,他分別在物理學的四個不同領域各發表了一篇論文:一篇關於布朗運動(微小粒子在流體中的不規則運動);一篇有關質量和能量的關係(提出了十分著名的公式E=mc2);一篇關於狹義相對論。這些論文皆對後來的研究影響深遠,然而令愛因斯坦獲得諾貝爾獎的成就,卻是在同年發表有關光電效應的文章。

光電效應是指當光照在某些物料時,激發物料中的電子(或稱光電子)的釋出,從而產生電流。愛因斯坦指出,光電子能否釋出是取決於光的頻率,而不是輻照度;光的頻率定義了光作為量子的能量,亦即光的能量並非如一般電磁理論所言是均勻分布於光波上,而是離散在各光子中。他與普朗克、康普頓等人的研究,提出光的能量和動量都是量子化的。

圖六


補充資料

量子力學 用途廣泛


光電效應的發現對日後粒子的研究帶來很大的影響。

第一、愛因斯坦證明了光同時能以波或粒子的形式存在,這又被稱為「波粒二象性」,後來人們發現其他微細的粒子,如電子等,都同時有波與粒子的特性。

第二、這亦推動了量子力學的發展。既然所有粒子都如光一樣具「波粒二象性」,那麼其能量也必是量子化的。因此,要激發一個原子由一個能量層到下一個能量層,必定需要特定大小的能量輸入。

量子力學的應用十分廣泛,熒光、雷射、半導體、磁力共振等,都與量子原理息息相關。

圖七


載自2021年11月10日《S-file STEM/理科》

文:劉心 圖:星島圖片庫、網上圖片
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