【科学讲堂】电子「落楼」放出电磁波

2018-04-11 17:04:04  阅读 75 次 评论 0 条

  激光製造技术初期 本用作量度时间

  大家有到过维港傍欣赏「幻彩咏香江」吗?这个节目融合了音乐、探射灯、激光等等元素,为观众带来一次赏心悦目的回忆。激光这种技术自上世纪中后期被开发以来,在许多不同方面被广泛使用;普罗大众可能早已在演唱会之中体验过激光,对它已是见怪不怪了。那幺激光究竟又是什幺?我们又是应用怎幺样的原理去製造激光的?

  激光的正式英文名称是Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation,因此被简称为LASER,而LASER的读音就被翻译成激光的另一个有名的称呼:雷射。

  要解释激光的原理,要回忆起前阵子跟大家介绍过的原子结构︰一枚原子像洋一般,原子核被电子一层一层地围绕。每一个这样的壳层其实代表电子的能量:距离原子核愈远的壳层,在其上的电子就愈有能量。当位于较远壳层之上、拥有较高能量的电子降落到较低的壳层,相差的能量就会以电磁波的形式被释放出来。

  运用这个原理去製造电磁波,其实威力强大:电磁波的频率与它的能量成正比,而壳层之间的能量差异是固定的。因此每当电子从一个特定的壳层下降到另一个指定的「楼层」,就一定只会放出某一种频率的电磁波;如果我们準备了很多这样的电子,再激使它们一起释放能量,就能产生威力强大而集中的电磁波了。这就是製造激光背后的原理。

  当第一束电磁波接触到这样的电子的时候,就激发它释放另一束频率一样的电磁波;这两束电磁波其后继续激发另外两束电磁波;就这样的一变二、二变四、四变八,余此类推,很多频率相同的电磁波就被集中地发射出来了。

  来回奔走激发更多激光

  电磁波包括了很多不同名称的「波」,例如检查身体用的X光及通讯用的无线电波也是电磁波。倘若用以上方法产生的电磁波,正好是我们肉眼所能看到的可见光,就是「激光」了。

  许多製造激光的装置会将所有物料放于两面镜子之间:随开始时少量的激光光束在两面镜子之间来回奔走,它们就会不断地激发其他电子释放相同的激光,以供我们使用。

  大家可能并没有为意,在这种激光製造技术开发的初期,其实并不是运用可见光的:当时是利用我们现在加热食物常用的微波。用这种技术产生出来的、很集中的微波,称为Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation,简称MASER,因此被音译为「迈射」。

  作为雷射的「前身」,迈射并不过时:负责管理国际单位制(SI)的国际度量衡局(International Bureau of Weights and Measures),明确认同一种运用氢气产生的迈射,在相对短的时间内比铯原子钟(caesium atomic clock)更加稳定,因此倘若需要準确量度的时间比一天短,这种氢气迈射就会是很可靠的标準。

  小 结

  「迈射」和「雷射」在上世纪中后期被开发,时至今日,在科技及日常生活的範畴都有大量的应用:大家可能很容易就能指出几个日常中用到激光的地方。这再一次告诉我们,善用科技的发展可以帮助我们改善大众的生活。 ■张文彦博士

  作者简介:香港大学土木及结构工程学士。短暂任职见习土木工程师后,决定追随对科学的兴趣,在加拿大多伦多大学取得理学士及哲学博士学位,修读理论粒子物理。现任香港大学理学院讲师,教授基础科学及通识课程,不时参与科学普及与知识交流活动。

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