熒光的由來
在演唱會(huì)的夜晚，每個(gè)人拿到了熒光棒，折一下就可以在黑暗中發(fā)出亮光。在揮熒光棒的時(shí)候，不曉得有沒有人會(huì)想，熒光是怎么來的？所有光都是熒光嗎？太陽(yáng)所發(fā)出來的光可以說是熒光嗎？螢火蟲發(fā)出的光，算是熒光嗎？
什么是熒光？
能量守恒是自然界的基本道理，光本身也是能量的一種，放出熒光也是來自于能量的轉(zhuǎn)換。人類可以看到的光波長(zhǎng)約400~700奈米左右，每個(gè)波長(zhǎng)或頻率的光（電磁波）可對(duì)應(yīng)到量子的光能量或光子能量──hν，h是普朗克常數(shù)（Planckconstant）、ν是電磁波頻率�？茖W(xué)家常使用電子伏特（eV）來表示光的能量單位，1eV相當(dāng)于帶電量為1.6×10-19庫(kù)侖的一個(gè)電子經(jīng)過1伏特電位差加速后，所獲得的動(dòng)能（1.6×10-19焦耳）。紫光（400納米）的光子能量約為3.1電子伏特左右，而紅光（700納米）的光子能量約為1.8電子伏特。
物質(zhì)是由原子所組成，元素周期表整理出每個(gè)元素所擁有的電子數(shù)目，根據(jù)包立不兼容原理，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(zhì)，大部分并非單一原子，而是由數(shù)種原子所組成的分子或周期性排列成晶體。原子相互靠近會(huì)形成不同能階、甚至能帶，這是每個(gè)原子間電子相互作用所造成的。基態(tài)（groundstate）指的是所有電子在最低能階的狀態(tài)，其他有額外能量的狀態(tài)則泛稱“電子的激發(fā)態(tài)”。當(dāng)電子受到額外能量到激發(fā)態(tài)時(shí)，電子以放光的方式釋放能量回到基態(tài)，由此方式所放出的光，可廣義稱為“熒光”。在激發(fā)態(tài)的電子不一定要以放光的方式釋放能量，也可以轉(zhuǎn)成熱，譬如傳遞動(dòng)能造成原子擾動(dòng)而溫度上升。如下圖所示，很多時(shí)候是光與熱都有，電子在激發(fā)態(tài)時(shí)，部分能量先以熱的方式釋放，之后才放出光，而放出的光子能量為能階之間的能量差。
科學(xué)上會(huì)以電子在激發(fā)態(tài)停留的時(shí)間，來區(qū)分熒光（fluo-rescence）與磷光（phosphorescence）。一般來說，產(chǎn)生熒光的電子，在激發(fā)態(tài)停留的時(shí)間約為幾個(gè)納秒（10-9秒）等級(jí)，如果電子停留了微秒以上，那么就會(huì)以磷光稱之。譬如夜明珠在白天吸收了光能量之后，電子在激發(fā)態(tài)的時(shí)間是以分鐘來計(jì)算的，黑夜中我們就可看到夜明珠慢慢釋放電子到基態(tài)所產(chǎn)生磷光。手表也常用磷光材料幫助我們?cè)诤诎抵锌磿r(shí)間，如果用的是熒光材料，只要沒有照光，所有電子在1微秒內(nèi)釋放能量放出熒光，以致我們看不到亮光�？茖W(xué)或?qū)W術(shù)中所指的熒光，大部分以光讓電子到激發(fā)態(tài)再放出熒光，稱“光致熒光（luminescence）”材料吸收較高能量的光，譬如藍(lán)光（2.8電子伏特）使電子躍遷到激發(fā)態(tài)后，電子經(jīng)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(fā)態(tài)。譬如熒光棒內(nèi)外管裝雙氧水與酯類化合物及熒光染料，當(dāng)管壁經(jīng)過折彎而破裂，化合物間的化學(xué)反應(yīng)會(huì)持續(xù)激發(fā)染料中的電子到激發(fā)態(tài)而放光，稱“化學(xué)發(fā)光（chemiluminescence）”。LED用電流的方式將電子注入發(fā)光材料中所放的熒光，稱“電致熒光（electroluminescence）”。若是在真空中直接把電子發(fā)射到材料里而發(fā)出熒光，稱“陰極熒光（cathodoluminescence）”。螢火蟲放的光稱為生物熒光，其實(shí)也算是化學(xué)熒光。熒光材料在吸收能量后，大部分能量可透過光的形式再放出，因此溫度不會(huì)上升太多，又被稱為冷光。科學(xué)上有時(shí)會(huì)用“發(fā)光（luminescence）”避免討論發(fā)光機(jī)制。
熒光的應(yīng)用
日常生活中泛稱的熒光，指的是可見光。譬如LED就是利用發(fā)光材料放熒光，屬于“電致熒光”。LED常見在生活應(yīng)用中，藍(lán)光LED更是獲得2014年諾貝爾物理獎(jiǎng)表彰，使LED可應(yīng)用在白光照明。目前市面上的LED白光燈泡，利用藍(lán)光LED激發(fā)熒光粉中的電子，光致熒光而產(chǎn)生黃光，并與原有的藍(lán)光混合成白光。市面上的日光燈管、省電燈泡等，通過電視管壁內(nèi)的水銀蒸氣放出高光子能量的紫外線，管壁內(nèi)側(cè)的磷質(zhì)熒光物質(zhì)吸收紫外線后可發(fā)出可見光，也是利用光致熒光的方式產(chǎn)生白光。
熒光棒也大量應(yīng)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(jié)日用不同顏色的燈泡串起來裝飾。電腦、電視、手機(jī)、平板等屏幕，也可屬于娛樂范圍。早期的鏡像管電視（CRTTV）及大尺寸等離子電視，在真空中發(fā)射電子直接打到不同發(fā)光材料，利用“陰極熒光”混出不同顏色。目前的液晶屏幕內(nèi)的液晶本身不發(fā)光，而是用來控制透光強(qiáng)弱，因此需要白光的背光板搭配紅、綠、藍(lán)濾鏡混色。市面上所謂LED液晶屏幕，是指背光板用LED白光光源，并非直接用不同顏色的三種LED所組成。OLED屏幕可直接利用發(fā)不同顏色光的材料做成LED來混色，OLED中的O指的是有機(jī)（organic），即利用有機(jī)發(fā)光材料所做成的LED（lightemittingdiode，發(fā)光二極管）。市面上也開始推出量子點(diǎn)屏幕，利用無機(jī)材料LED的藍(lán)光透過“光致熒光”激發(fā)不同量子點(diǎn)而發(fā)出不同顏色的光。
光也可以作為“信號(hào)”，譬如古代的烽火臺(tái)利用火傳遞敵人來襲的信號(hào)�，F(xiàn)今當(dāng)然不需要舉火把來傳遞信號(hào)，譬如電腦、電器產(chǎn)品有很多“指示燈”，通電源時(shí)發(fā)綠燈，沒電的時(shí)候用紅色燈號(hào)指示燈等，廣義來說，屏幕也可以當(dāng)作智慧型的“指示”。介紹到這里，大概可以感覺到LED所發(fā)出的“電致熒光”是多么廣泛應(yīng)用在生活周圍！生活中當(dāng)然還有很多“光致熒光”的應(yīng)用，譬如有害的熒光物質(zhì)殘留，只要用紫光照一下，便知是否有熒光物質(zhì)。白色的衣物及紙張為了視覺效果，常會(huì)添加這類無毒的熒光劑，其吸收紫外光而放出藍(lán)光，可在陽(yáng)光下提高視覺上的白度及亮度，這類的熒光物質(zhì)對(duì)人體并沒有傷害。
科學(xué)研究中很常利用熒光物質(zhì)來標(biāo)定不發(fā)光物質(zhì)。譬如很多細(xì)胞不發(fā)光，“熒光顯微術(shù)“熒光分子接到生物細(xì)胞中某些分子，在雷射光照射下，熒光分子可顯示出某細(xì)胞分子的位置。因此為了生物用途，發(fā)展出許多“熒光”率高的染料分子。熒光顯微鏡技術(shù)中，還可用不同顏色的染料標(biāo)定，同時(shí)觀察不同顏色來區(qū)分不同細(xì)胞分子。一般來說，當(dāng)細(xì)胞被染色后就失去生命力，只能觀察死細(xì)胞的行為。2008年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)表彰綠色熒光蛋白質(zhì)（greenuorescentprotein，GFP）的發(fā)現(xiàn)，科學(xué)家也進(jìn)一步發(fā)展出不同顏色熒光的蛋白質(zhì)。發(fā)光蛋白質(zhì)之所以重要，在于它可以讓細(xì)胞發(fā)光而不失去生命力。許多生命的奧妙，并非可以從“體”構(gòu)觀察出來，而需觀察其生命的動(dòng)態(tài)。讓活體細(xì)胞會(huì)發(fā)熒光因此是很重要的貢獻(xiàn)，使生命科學(xué)家可利用熒光顯微鏡研究活細(xì)胞。
未來方向
人類的雙眼是最直接且自然的偵測(cè)器，可判別顏色及位置，不需額外的偵測(cè)器能增添生活便利。雖然“致熒光”乎應(yīng)用較廣，但“致熒光”實(shí)更方便，因?yàn)椴恍枰秒娋�等額外物質(zhì)接觸物體，即可發(fā)光。譬如筆者最近聽到一個(gè)技術(shù)，利用熒光蛋白將特殊細(xì)菌改造成會(huì)發(fā)光。這些細(xì)菌可在土壤里往地雷移動(dòng)并留下生存，因此陽(yáng)光下或照光下會(huì)發(fā)出光芒，人類因此可以在遠(yuǎn)距下發(fā)現(xiàn)地雷的存在，這也算是“信號(hào)”一種。也許讀者也可以從“信號(hào)”度想想，如何讓熒光物質(zhì)有新應(yīng)用。
文章摘自網(wǎng)絡(luò)
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