化學原理啟迪294
1. 能量通過空間的其中一個方法是透過電磁輻射electromagnetic radiation傳導,太陽光線、微波爐裡的微波、牙醫用的X光線、醫生偵測身體使用的核磁共振電波……等等,都是電磁輻射。
2. 以上列舉的各種輻射能量,表面上看起來不同,但它們都同樣有波的行為模式,它們在真空中移動速率等於光速;我們稱這種能量為「電磁輻射」,因為它同時具有電場與磁場。
3. 電磁輻射的電場波與磁場波,各在不同的平面上,電場的波與磁場的波活動的平面彼此垂直,擺動的節奏一致,一起朝同一個方向前進穿越空間。
4. 波的特性有三:(1)波長。(2)頻率。(3)速度。
5. 波長(希臘文λ)是指一個波的2個高峰或2個凹谷之間的距離;頻率(希臘文ν)每秒穿過空間中的某一點的波數。因為各種電磁波都是以光速移動,所以短波長的電磁波必定是高頻率的。
7. 這代表波長與頻率之間存在「倒數關係」:λ∞1/ν。波長與頻率的倒數成比例,意思是波長愈長,頻率相對地愈低;波長愈短,頻率相對地愈高。
8. 「波長」乘「頻率」等於「光速」
λν=C
注:λ是波長,單位公尺;ν是頻率,指每秒週波數;C是光速,光速的精確數值是2.99792458×108m/s。在SI系統,每秒週波數稱為hertz(Hz)。
9. 電磁輻射的分類如下:
10. 輻射提供傳遞能量的重要管道,舉例來說,太陽傳遞到地球的能量主要是可見光與紫外線輻射;煤礦燃燒的熱能透過紅外線輻射傳遞;微波爐運作時,食物中的水分子吸收微波輻射後運動變得劇烈,水分子運動的能量透過碰撞傳遞到其他的分子,造成食物的溫度上升。
n 翻譯編寫Steven S. Zumdahl 《Chemical Principles》 ,圖片來源:維基百科、Astronomy.swin.edu.au、Emc.maricopa.edu、Sci.uidaho.edu、《浮光掠影‧攝影筆記》、中華民國後備憲兵論壇
徐弘毅:
1. 面對錯綜複雜難解的現象,不斷提出問題、比較、分類、下定義、實驗證明,尋找理性的規則,建立解決問題的執行步驟程序,就是科學的精神。
《巴哈 布蘭登堡協奏曲》
2. 當科學家發現某一種輻射能量,同時具有電性與磁性,他們應該會想,電與磁之間有什麼關係?電與磁之間存在什麼樣的相似性?電流可不可以轉換成磁場?具有磁性的物質可不可以轉換成電流?
3. 當科學家發現各種電磁輻射都有波的行為模式,在真空中的移動速率等於光速,他們就找到各種電磁輻射的二個共通性:一、電磁輻射都是波;二、電磁輻射都是光的衍生物(各種電磁輻射都是從光變形而來的)。
4. 電磁輻射都是波,波有什麼特質?波會反射、折射,電磁輻射會反射嗎?電磁輻射會折射嗎?每種波的波長、頻率不同,我們可不可以用波長、頻率來對電磁輻射進行分類呢?波有基本單位「週波」,電磁輻射有最小的基本單位嗎?如果電磁輻射是由最小的基本單位組成,這樣不是跟元素組成分子很像嗎?
5. 電磁輻射都是光的衍生物,電、磁和光之間有什麼關係?電流能不能轉換成光線?光線能不能轉換成電能?磁性能不能轉換成光線?光線能不能轉換成磁性?
6. 煤礦燃燒的熱能透過紅外線輻射傳遞,微波爐的微波可讓食物的溫度上升,顯然電磁輻射能夠發出熱能,熱能與光能、電能、磁能之間有什麼關係?能不能互相轉換?我們可不可以用熱能的概念來計算光能、電能和磁能的能量大小呢?熱能是不是一種波?熱能有沒有最小的基本單位?
7. 波的頻率如何測量?舉例來說,在大溪慈湖有一隻鷺鷥伸出牠的長喙到水池中,衝擊的力道在水面掀起一波波的漣漪,池塘旁有幾片蓮葉,我們以蓮葉其中一個曲折的位置為標準點,數一數每分鐘撞上蓮葉的漣漪有幾個,得到的數字就是頻率。
8. 由於電磁波(包括光線)的移動速度很快,我們計算的電磁波的時間單位是每秒通過某個點的波數(週波數)。
9. 什麼是波長?能量從波的某一個點上下震盪再回到原點的過程,所走的距離,稱為波長。電磁輻射的行進動線就像南科迎曦湖的鋼構彩帶無限延伸下去的曲線,二個最高點波峰之間的距離是波長,最低點波谷之間的距離也是波長。
10. 電磁波的「波長×頻率」,會等於「電磁波的速率」,因為頻率是每秒的週波數,頻率乘上波長之後,每秒的週波數就變成每秒移動的距離,符合速率的定義。
11. 電磁波在真空狀態下的速率跟光速一樣,公式:電磁波的波長×頻率=光速λν=C,是指在理想的真空狀態下,如果不是在真空狀態,實際的情況下不同電磁波的移動速率應該會有些差異。