生活中無所不在的螢光 - 科學月刊

譬如螢光棒內外管裝雙氧水與酯類化合物及螢光染料，當管壁經過折彎而破裂，化合物間的化學反應會持續激發染料中的電子到激發態而放光，稱「化學發光（ ... 網頁 首頁 科學月刊/科技報導新網站 科學月刊粉絲專頁 2017年3月29日 生活中無所不在的螢光 作者／林宮玄，任職於中研院物理所，本刊兼任副總編輯。

圖一：電子在物質中能階的躍遷，可產生螢光。

在演唱會的夜晚，每個人拿到了螢光棒，折一下就可以在黑暗中發出亮光。

在揮螢光棒的時候，不曉得有沒有人會想，螢光是怎麼來的？所有光都是螢光嗎？太陽所發出來的光可以說是螢光嗎？螢火蟲發出的光，算是螢光嗎？ 什麼是螢光？ 能量守恆是自然界的基本道理，光本身也是能量的一種，放出螢光也是來自於能量的轉換。

人類可以看到的光波長約400~700奈米左右，每個波長或頻率的光（電磁波）可對應到量子的光能量或光子能量──hν，h是普朗克常數（Planckconstant）、ν是電磁波頻率。

科學家常使用電子伏特（eV）來表示光的能量單位，1eV相當於帶電量為1.6×10-19庫侖的一個電子經過1伏特電位差加速後，所獲得的動能（1.6×10-19焦耳）。

紫光（400奈米）的光子能量約為3.1電子伏特左右，而紅光（700奈米）的光子能量約為1.8電子伏特。

物質是由原子所組成，元素週期表整理出每個元素所擁有的電子數目，根據包立不相容原理，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，大部分並非單一原子，而是由數種原子所組成的分子或週期性排列成晶體。

原子相互靠近會形成不同能階、甚至能帶，這是每個原子間電子相互作用所造成的。

基態（groundstate）指的是所有電子在最低能階的狀態，其他有額外能量的狀態則泛稱「電子的激發態（excitedstate）」。

當電子受到額外能量到激發態時，電子以放光的方式釋放能量回到基態，由此方式所放出的光，可廣義稱為「螢光」。

在激發態的電子不一定要以放光的方式釋放能量，也可以轉成熱，譬如傳遞動能造成原子擾動而溫度上升。

如圖一所示，很多時候是光與熱都有，電子在激發態時，部分能量先以熱的方式釋放，之後才放出光，而放出的光子能量為能階之間的能量差。

科學上的螢光定義 科學上會以電子在激發態停留的時間，來區分螢光（fluo-rescence）與磷光（phosphorescence）。

一般來說，產生螢光的電子，在激發態停留的時間約為幾個奈秒（10-9秒）等級，如果電子停留了微秒以上，那麼就會以磷光稱之。

譬如夜明珠在白天吸收了光能量之後，電子在激發態的時間是以分鐘來計算的，黑夜中我們就可看到夜明珠慢慢釋放電子到基態所產生磷光。

手錶也常用磷光材料幫助我們在黑暗中看時間，如果用的是螢光材料，只要沒有照光，所有電子在1微秒內釋放能量放出螢光，以致我們看不到亮光。

科學或學術中所指的螢光，大部分以光讓電子到激發態再放出螢光，稱「光致螢光（photoluminescence）」。

材料吸收較高能量的光，譬如藍光（2.8電子伏特）使電子躍遷到激發態後，電子經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態。

譬如螢光棒內外管裝雙氧水與酯類化合物及螢光染料，當管壁經過折彎而破裂，化合物間的化學反應會持續激發染料中的電子到激發態而放光，稱「化學發光（chemiluminescence）」。

LED用電流的方式將電子注入發光材料中所放的螢光，稱「電致螢光（electroluminescence）」。

若是在真空中直接把電子發射到材料裡而發出螢光，稱「陰極螢光（cathodoluminescence）」。

螢火蟲放的光稱為生物螢光，其實也算是化學螢光。

螢光材料在吸收能量後，大部分能量可透過光的形式再放出，因此溫度不會上升太多，又被稱為冷光。

科學上有時會用「發光（luminescence）」避免討論發光機制。

圖二：散發磷光的鳥形裝飾。

（Wikipedia） 螢光的應用 日常生活中泛稱的螢光，指的是可見光。

譬如LED就是利用發光材料放螢光，屬於「電致螢光」。

LED常見在生活應用中，藍光LED更是獲得2014年諾貝爾物理獎表彰，使LED可應用在白光照明。

目前市面上的LED白光燈泡，利用藍光LED激發螢光粉中的電子，「光致螢光」而產生黃光，並與原有的藍光混合成白光。

市面上的日光燈管、省電燈泡等，藉由通電使管壁內的水銀蒸氣放出高光子能量的紫外線，管壁內側的磷質螢光物質吸收紫外線後可發出可見光，也是利用光致螢光的方式產生白光。

螢光棒也大量應用在娛樂用途，人類很容易被漂亮且五彩繽紛的光所吸引，譬如人們喜歡在節日用不同顏色的燈泡串起來裝飾。

電腦、電視、手機、平板等螢幕，也可屬於娛樂範圍。

早期的映像管電視（CRTTV）及大尺寸電漿電視，在真空中發射電子直接打到不同發光材料，利用「陰極螢光」混出不同顏色。

目前的液晶螢幕內的液晶本身不發光，而是用來控制透光強弱，因此需要白光的背光板搭配紅、綠、藍濾鏡混色。

市面上所謂LED液晶螢幕，是指背光板用LED白光光源，並非直接用不同顏色的三種LED所組成。

OLED螢幕可直接利用發不同顏色光的材料做成LED來混色，OLED中的O指的是有機（organic），即利用有機發光材料所做成的LED（lightemittingdiode，發光二極體）。

市面上也開始推出量子點螢幕，利用無機材料LED的藍光透過「光致螢光」激發不同量子點而發出不同顏色的光。

圖三：螢光棒發光機制為「化學發光」。

（Pixabay） 光也可以做為「信號」，譬如古代的烽火台利用火傳遞敵人來襲的訊號。

現今當然不需要舉火把來傳遞信號，譬如電腦、電器產品有很多「指示燈」，通電源時發綠燈，沒電的時候用紅色燈號指示等等，廣義來說，螢幕也可以當作智慧型的「指示」。

介紹到這裡，大概可以感覺到LED所發出的「電致螢光」是多麼廣泛應用在生活週遭！生活中當然還有很多「光致螢光」的應用，譬如有害的螢光物質殘留，只要用紫光照一下，便知是否有螢光物質。

白色的衣物及紙張為了視覺效果，常會添加這類無毒的螢光劑，其吸收紫外光而放出藍光，可在陽光下提高視覺上的白度及亮度，這類的螢光物質對人體並沒有傷害。

科學研究中很常利用螢光物質來標定不發光物質。

譬如很多細胞不發光，「螢光顯微術」利用螢光分子接到生物細胞中某些分子，在雷射光照射下，螢光分子可顯示出某細胞分子的位置。

因此為了生物用途，發展出許多「光致螢光」效率高的染料分子（dyemolecule）。

螢光顯微鏡技術中，還可用不同顏色的染料標定，同時觀察不同顏色來區分不同細胞分子。

一般來說，當細胞被染色後就失去生命力，只能觀察死細胞的行為。

2008年諾貝爾化學獎表彰綠色螢光蛋白質（greenuorescentprotein,GFP）的發現，科學家也進一步發展出不同顏色螢光的蛋白質。

發光蛋白質之所以重要，在於它可以讓細胞發光而不失去生命力。

許多生命的奧妙，並非可以從「屍體」結構觀察出來，而需觀察其生命的動態。

讓活體細胞會發螢光因此是很重要的貢獻，使生命科學家可利用螢光顯微鏡研究活細胞。

圖四：利用螢光顯微鏡技術觀察牛肺動脈內皮細胞。

（Wikipedia） 未來方向 人類的雙眼是最直接且自然的偵測器，可判別顏色及位置，不需額外的偵測器能增添生活便利。

雖然「電致螢光」似乎應用較廣，但「光致螢光」其實更方便，因為不需要用電線等額外物質接觸物體，即可發光。

譬如筆者最近聽到一個技術，利用螢光蛋白將特殊細菌改造成會發光。

這些細菌可在土壤裡往地雷移動並留下生存，因此陽光下或照光下會發出光芒，人類因此可以在遠距下發現地雷的存在，這也算是「信號」的一種。

也許讀者也可以從「信號」的角度想想，如何讓螢光物質有新應用。

延伸閱讀 林宮玄，〈憑什麼得諾貝爾獎？要你看到藍光LED的與眾不同〉，泛科學網站，2015年7月31日。

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