【跨科際閱讀】原子會發光

不同的原子有不同的光譜這件事,被美國科學促進協會列為所有公民必備的知識。

撰文│高涌泉(臺灣大學物理系)

原載於【科學人雜誌】2007.06.01

元素發射光譜-01

發射光譜可以用來確定材料的組成,因為在週期表上的每一種化學元素都有各自不同的發射光譜。例如,分析接收到的光譜可以確認恆星的組成。

前一陣子我在圖書館看到一本討論科學素養的書,內容是關於「所有(美國)學生在小二、小五、國二、高三等各階段末,對於科學、數學、技術等領域所應該知道、或有能力去做的事」。這類的書頗多,一般而言並無特殊之處,但這本名為《科學素養指標》(Benchmarks for Scientific Literacy)的書卻相當值得參考。它是由著名的美國科學促進協會(AAAS)所發表的,屬於「2061年計畫」(Project 2061)報告的一部份。這個研究計畫的目標是促進所有未來美國公民的科學素養,以便「有助於人們能過個有趣、負責、且豐富的一生」。

究竟什麼樣的科學知識能夠幫助人們有個美好人生,我當然感到好奇。書中所列的知識項目是眾多專家集思廣益的結論,讀來相當有意思。例如,書中對於美國學生在高中畢業後所應該具備的知識,在「能量轉換」這個主題之下,包含了這件事:「如果一個孤立的原子或分子的能量改變了,則這種變化乃是來自於能量從某個明確的值跳到另一個明確的值,其他的值都不可能。一旦原子或分子吸收了輻射或放出了輻射,其能量就會改變,因此,這些輻射也會有明確的能量。所以,個別原子或分子(例如在氣體中的原子、分子)所發射或吸收的光,可以用來判定這些發光的物質究竟是什麼東西。」

我看到原子會發光這件事,被美國科學促進協會列為所有公民必備的重要知識,當下就想起費曼講過關於他父親的一個小故事:
費曼父親是個小生意人,辛苦栽培費曼上了麻省理工學院(MIT)。有次費曼回家,他父親對他說:「既然你已經學了那麼多東西,有個問題我一直沒有弄得很懂,不知道你能不能解釋給我聽?」費曼當然很樂意為父親解惑。他父親就問:「我知道當一個原子從一個狀態轉換到另一個狀態時,它便會發射出一個稱為光子(photon)的光粒子。」費曼回說:「是的,沒錯。」費曼父親接著問:「那麼,這個光子是不是早先就存在原子裡,然後才跑出來?或者是,原子內一開始並沒有光子?」

費曼於是試著解釋光子的數目並不是一個固定不變的值,光子只不過是由於電子在運動,從而才創造出來的東西。費曼說:「我無法好好地對我父親解釋這件事,我說我所發出的聲音一開始並不是在我身體裡頭..但是他不滿意我的答案,他覺得我完全沒有解釋清楚他所不了解的東西!所以他並沒有成功:他送我去上大學,目的就是想了解他所不懂的這些事,但是他終究沒能找到(讓他可以理解的)答案!」

的確,沒有人能夠真正理解光子究竟如何從原子裡頭跑出來,物理學家能做的至多就是描述事件是如何開始的,以及事件可能會如何結束,例如計算出光子出現的機率有多大。至於中間過程到底是怎麼一回事,目前物理學家是無能為力的。

我不知道費曼的父親接受了多少科學教育,但在70年前,光子與能階的概念大約還不至於被列為基本科學知識,所以費曼父親在當時應算是相當先進的科學美國人。不過《科學素養指標》對於原子發光的敘述除了光子與能階之外,還包括了「個別原子所發射或吸收的光,可以用來判定發光的物質是什麼東西」。從大眾通識教育的角度來講,這項知識的重要性在於,我們可以從接受到的光,來判定在無數光年外的星球上的物質,其實和地球上的物質,並沒有兩樣。

曾有哲學家以為,由於我們不可能跑到極遠的星球上,所以我們永遠不可能確知到底星星是由什麼東西構成的。這本來是個非常合理的推論,但卻被各原子有其特殊光譜這件事給推翻了。世界真是奇妙!美國人認為「原子會發出特定的光」是公民科學素養的一部份,我們是不是也認同這種判斷呢?

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1 Response

  1. jtc 說:

    原子光譜被稱作指紋譜線(fingerprint line spectrum)。
    當譜線的模組(pattern)是獨一無二,光譜的解析度又夠精確時,就像一個清晰明確的指紋,沒有旁人的可以代替,就是指紋光譜。分子光譜通常較複雜,不過也有類似的辨識功能。
    丟出原來不屬於自己的東西,的確很奇怪,但是產生原物所無的效果,就沒有那麼奇怪了。光子的確不算是個什麼東西。

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