光的分光與原子發光原理大解析

你是否曾經好奇過，為什麼雨後天空會出現美麗的彩虹？或者，為什麼白色的光線經過一個三稜鏡後，會變成七彩的光譜？其實，這背後隱藏著光的折射與繞射現象，以及原子內電子能階的奧秘。本文將帶你一步步了解這些看似複雜，卻與我們日常生活息息相關的物理現象。

光的分光：三稜鏡與折射原理

白光其實是由多種顏色的光混合而成，當它通過不同介質時，會因為不同顏色的光速不同而改變方向，這就是折射。以三稜鏡為例，當白光進入玻璃時，紅光的折射角較小，速度較快；紫光則折射角較大，速度較慢。這種速度與折射角的差異，讓白光被拆解成七彩光譜，也就是我們看到的彩虹色。

生活中也有類似的折射現象，例如你在游泳池或海邊撿東西時，水中的物體看起來位置會偏移，這是因為光線從水中折射到空氣中，改變了方向，造成視覺錯覺。

除了折射，光還能透過繞射被分解。當白光通過非常窄的縫隙或光柵時，不同波長的光會以不同角度彎曲。與折射不同的是，波長較長的紅光繞射角度較大，波長較短的紫光則較小。這樣的繞射會在光柵兩側形成多條彩色頻帶，中央仍是白光。

這種現象在日常生活中也能見到，例如CD或DVD表面反射出的彩虹光斑，就是光柵繞射的結果。

不同光源發出的光譜並不相同。太陽光和鎢絲燈泡能產生連續的七彩光譜，因為它們包含了幾乎所有波長的光。相反地，像鈉燈只發出黃色光，光譜非常不完整；水銀燈則偏藍綠色，光譜也是不連續的。

為什麼不同光源會有不同光譜？這要從原子的結構說起。以氫原子為例，核心有一個帶正電的質子，外面繞著一個帶負電的電子。電子只能存在於特定的能量階層，不能停留在中間。

當電子從高能階跳回低能階時，會釋放出一個固定能量的光子，這個光子的能量決定了光的顏色（波長）。因此，氫原子發出的光只有特定顏色，形成所謂的「線狀光譜」。

雖然單一原子只能發出固定波長的光，但太陽是由大量高溫等離子體組成，裡面有無數原子和電子不斷碰撞和能量轉移。這種複雜的互動使得太陽光包含了幾乎所有波長的光，形成連續的彩虹光譜。

光的分光現象不僅讓我們欣賞到美麗的彩虹，也幫助科學家了解物質的結構。從三稜鏡的折射到光柵的繞射，再到原子內電子的能階躍遷，這些原理串連起來，揭示了光與物質間的微妙關係。下次看到彩虹或光譜時，不妨想想這背後的物理故事，讓我們對這個世界多一份好奇與敬畏。