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萤光满天飞的萤火虫
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萤光 是来自于能量的转换。在分析上是一种重要的发射程序,其中原子分子因吸收一束光子而受到激发。然而受激发物种松弛回到基态,将多馀的能量以光子形态释出来,吸收第一次光子与释出第二次光子之间的时间落后在 10-5秒以下者为萤光,如果落后时间较长(10-4秒以上)为磷光。萤光和磷光的波长比用来激发的光子之波长更长。[1]

科学的萤光定义

譬如夜明珠在白天吸收了光能量之后,电子在激发态的时间是以分钟来计算的,黑夜中我们就可看到夜明珠慢慢释放电子到基态所产生磷光。手表也常用磷光材料帮助我们在黑暗中看时间,如果用的是萤光材料,只要没有照光,所有电子在1微秒内释放能量放出萤光,以致我们看不到亮光。科学或学术中所指的萤光,大部分以光让电子到激发态再放出萤光,称“光致萤光(photoluminescence)”。材料吸收较高能量的光,譬如蓝光(2.8电子伏特)使电子跃迁到激发态后,电子经过能量损耗放出较低能量的光,譬如绿光(2.4电子伏特)。[2]

还有其他方式可让电子到激发态。譬如萤光棒内外管装双氧水与酯类化合物及萤光染料,当管壁经过折弯而破裂,化合物间的化学反应会持续激发染料中的电子到激发态而放光,称“化学发光(chemiluminescence)”。LED用电流的方式将电子注入发光材料中所放的萤光,称电致萤光(electroluminescence)。若是在真空中直接把电子发射到材料里而发出萤光,称“阴极萤光(cathodoluminescence)”。萤火虫放的光称为生物萤光,其实也算是化学萤光。萤光材料在吸收能量后,大部分能量可透过光的形式再放出,因此温度不会上升太多,又被称为冷光。

萤光的应用

日常生活中泛称的萤光,指的是可见光。譬如LED就是利用发光材料放萤光,属于“电致萤光”。LED常见在生活应用中,蓝光LED更是获得2014年诺贝尔物理奖表彰,使LED可应用在白光照明。目前市面上的LED白光灯泡,利用蓝光LED激发萤光粉中的电子,“光致萤光”而产生黄光,并与原有的蓝光混合成白光。市面上的日光灯管、省电灯泡等,借由通电使管壁内的水银蒸气放出高光子能量的紫外线,管壁内侧的磷质萤光物质吸收紫外线后可发出可见光,也是利用光致萤光的方式产生白光。

萤光棒也大量应用在娱乐用途,人类很容易被漂亮且五彩缤纷的光所吸引,譬如人们喜欢在节日用不同颜色的灯泡串起来装饰。电脑电视、手机、平板等萤幕,也可属于娱乐范围。早期的映像管电视(CRT TV)及大尺寸电浆电视,在真空中发射电子直接打到不同发光材料,利用“阴极萤光”混出不同颜色。目前的液晶萤幕内的液晶本身不发光,而是用来控制透光强弱,因此需要白光的背光板搭配红、绿、蓝滤镜混色。市面上所谓LED液晶萤幕,是指背光板用LED白光光源,并非直接用不同颜色的三种LED所组成。OLED 萤幕可直接利用发不同颜色光的材料做成LED来混色,OLED中的O指的是有机(organic),即利用有机发光材料所做成的LED(light emitting diode,发光二极体)。市面上也开始推出量子点萤幕,利用无机材料LED的蓝光透过“光致萤光”激发不同量子点而发出不同颜色的光。[2]

萤光的种类

所有的发光物都需要能量来源。不同种类的萤光的区分在于其能量来源。主要有生物发光 (bioluminescent)、光子激发光 (photoluminescent) 和化学发光 (chemiluminescent)。


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萤光珊瑚
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萤光介形虫
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萤光藻
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萤光水母
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萤光棒


1.生物发光(Bioluminescent )

萤光藻或涡鞭毛藻发出的萤光叫做生物发光,主要是靠酵素)的催化反应 enzymatic reaction 产生的 ATP (Adenosine triphosphate) 分子释放出来的能量发光。此外,萤火虫、原生动物、真菌甲壳类生物、昆虫乌贼水母、低等植物以及细菌等,这些发光的生物中有的是靠自身细胞生化反应而发光,有些则是靠共生的细菌来发光。[3]

2.化学发光(Chemiluminescence)

最常见的是那些演唱会用的萤光棒。使萤光棒发光的能源是来自化学反应。萤光棒里面的玻璃罐子被折断后,里面的双氧水被释放出来产生能量,激活发光体(chromophore),并释放出特定的光波。当反应物耗尽,萤光也随著消失,所以萤光棒的萤光通常能持续2-4小时。

3.光致发光Photoluminescent

光致发光最常见的是磷光(phosphorescence),也就是日常生活中所谓的夜明漆料或夜明珠之类的物体,在有光源的时候会吸收光能,然后会慢慢释放出萤光,因为被光能激活的电子进入inter-crossing system,电子轨道转移速度较慢,所以能量释放也慢,使得发光分子的发光团能一点一点地发出萤光。磷光材料都是人工化学合成的。

2.生物萤光

萤火虫萤光珊瑚萤光水母萤光介形虫萤光藻:
主要是靠酶(酵素)的催化反应 enzymatic reaction 产生的 ATP (Adenosine triphosphate) 分子释放出来的能量发光。一些蜈蚣和环节动物、深海鱼类、珊瑚、章鱼、水母、鱿鱼、乌贼等等都有这生物发光的特性。其中,最有名的生物发光分子应该是绿色萤光蛋白(Green fluorescent protein)。[4]

参考来源

  1. 国立高雄科技大学水产食品科学系
  2. 2.0 2.1 林宫玄. 生活中无所不在的萤光. 科学月刊. 2017年3月, (593). 
  3. 刘仲康. 爱炫的发光菌. 科学月刊. 1997年2月, (326). 
  4. 萤光 fluorescent 的种类. 藻类新闻快报. 2013-04-28 (中文).