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(Planck constant)、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,1 eV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(ground state)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(excited state)」。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(CRT TV)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(light emitting diode,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(dye molecule)。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(green uorescent protein, 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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