🌈 Chapter 4：電磁波譜（Electromagnetic Spectrum）
第 1：4.1 電磁波的本質
🌊 什麼是電磁波？
電磁波（Electromagnetic Wave, EM wave）是由電場和磁場在空間中相互垂直、同步振盪並向前傳播的波動。
📌 電磁波的三大特性：
- 是橫波（電場、磁場都與傳播方向垂直）
- 不需要介質傳播（可在真空中傳播，這也是陽光能到地球的原因）
- 在真空中傳播速度 = 光速 c ≈ 3 × 10⁸ m/s
圖 4-1：電磁波中電場 E（紅色）和磁場 B（藍色）相互垂直，都與傳播方向垂直
📏 波的基本量
v = f × λ（波速 = 頻率 × 波長）
對所有電磁波，在真空中 v = c = 3 × 10⁸ m/s，所以：
c = f × λ → λ = c / f
📌 重要關係：頻率 f 越高 → 波長 λ 越短 → 能量 E 越高
⚡ 光子能量
電磁波的能量以光子（photon）為單位傳遞，光子能量公式：
E = h × f = h × c / λ
其中 h 為普朗克常數（h ≈ 6.63 × 10⁻³⁴ J·s）。
第 2：4.2 可見光譜（Visible Spectrum）
🌈 牛頓的三稜鏡實驗
1666 年，牛頓用三稜鏡把白光分散成七色光帶，證明白光其實是不同顏色光的混合。
圖 4-2：白光經稜鏡折射後分散成七色光譜
🎨 七色可見光
| 顏色 | 英文 | 波長範圍 (nm) | 頻率特性 |
|---|
| 🔴 紅 | Red | 620 - 750 | 頻率最低、波長最長 |
| 🟠 橙 | Orange | 590 - 620 | — |
| 🟡 黃 | Yellow | 570 - 590 | — |
| 🟢 綠 | Green | 495 - 570 | — |
| 🔵 藍 | Blue | 450 - 495 | — |
| 🟣 靛 | Indigo | 425 - 450 | — |
| 🟪 紫 | Violet | 380 - 425 | 頻率最高、波長最短 |
💡 記憶口訣：「紅橙黃綠藍靛紫」（英文：ROY G. BIV = Red Orange Yellow Green Blue Indigo Violet）
⚠️ 不同顏色的關鍵差異：
- 紅光折射率小 → 偏離法線少
- 紫光折射率大 → 偏向法線多
- 這就是稜鏡能分光的原因！
🌈 彩虹的形成
陽光進入水滴後：
- 第一次折射（白光分散成七色）
- 在水滴背面發生全反射
- 第二次折射（光從水滴射出）
由於紅光折射率小，紫光折射率大，兩者分開，形成彩虹的圓弧。
第 3：4.3 可見光之外的電磁波
🌌 完整的電磁波譜
電磁波譜從波長最長到最短，依序為：
圖 4-3：完整電磁波譜（從無線電波到宇宙射線）
📊 七大類電磁波詳細比較
| 類型 | 波長範圍 | 頻率特性 | 主要來源 | 典型應用 |
|---|
| 無線電波 |
> 1 mm |
最低 |
電路振盪、天線 |
廣播、電視、無線網絡 |
| 微波 |
1 mm - 1 m |
低 |
磁控管、天線 |
微波爐、雷達、衛星通訊、WiFi |
| 紅外光 |
700 nm - 1 mm |
中等低 |
熱物體、太陽 |
夜視儀、紅外線遙控、測溫 |
| 可見光 |
380 - 750 nm |
中等 |
太陽、燈泡、火焰 |
照明、視覺、光纖通訊 |
| 紫外光 |
10 - 380 nm |
中等高 |
太陽、汞燈 |
消毒、驗鈔、曬太陽維他命 D |
| X 光 |
0.01 - 10 nm |
高 |
X 光管、電子撞擊 |
醫學造影、安檢 |
| γ 射線 |
< 0.01 nm |
最高 |
放射性物質、核反應 |
癌症治療、消毒 |
💡 記憶口訣（從左到右波長變短、頻率變高、能量變強）：
「無線電、微、紅、可見、紫、X、伽」 → 「射線越往右越危險！」
第 4：4.4 電磁波譜的應用
📡 無線電波（Radio Waves）
應用場景
- 📻 AM/FM 廣播（波長數百米）
- 📺 電視信號（VHF/UHF）
- 📱 4G/5G 手機通訊
- 🛰️ 衛星通訊
- 🎮 藍牙、WiFi（其實是微波段）
🔥 微波（Microwaves）
應用場景
- 🍿 微波爐：水分子吸收微波能量 → 震動摩擦 → 食物加熱
- 🛩️ 雷達：發射微波並接收反射波，探測飛機、船舶、天氣
- 🛰️ 衛星通訊：地球與衛星之間的信號傳遞
- 📶 WiFi：2.4 GHz / 5 GHz 頻段
🌡️ 紅外光（Infrared, IR）
應用場景
- 📺 紅外線遙控器：電視機、冷氣機
- 🌃 夜視儀：偵測物體散發的紅外輻射
- 🌡️ 測溫槍：量人體溫度（額溫槍）
- 📡 光纖通訊：用紅外光傳輸數據
🔆 紫外光（Ultraviolet, UV）
應用場景
- 🌞 曬太陽：UV-B 促使皮膚合成維他命 D
- 🧴 消毒燈：UV-C 破壞細菌/病毒 DNA
- 💵 驗鈔機：紫外線照鈔票顯示防偽標記
- 💎 螢光效應：某些物質吸收 UV 發出可見光
⚠️ 過量紫外光的危害：曬傷、皮膚癌、白內障。防曬霜可阻擋大部分 UV。
🩻 X 光（X-rays）
應用場景
- 🏥 醫學造影：照肺部、骨折（骨頭吸收 X 光較強）
- 🛂 機場安檢：掃描行李
- 🔬 晶體分析：X 光繞射研究物質結構
☢️ γ 射線（Gamma Rays）
應用場景
- 🎗️ 癌症放射治療：破壞癌細胞 DNA
- 🧴 醫療器材消毒：比高溫消毒更徹底
- 🔬 放射性示蹤：研究化學反應
第 5：4.5 輻射與能量
🌡️ 黑體輻射（Blackbody Radiation）
所有物體都會發射電磁波，溫度越高：
📝 範例：物體溫度與輻射顏色
- 鐵棒 500°C：暗紅色（紅外光）
- 鐵棒 800°C：橙紅色（可見光低端）
- 鐵棒 1500°C：白熾色（整個可見光譜）
- 太陽表面 5500°C：白光（峰值在黃綠光）
🔆 太陽光譜
太陽是地球上主要的電磁波來源：
- 可見光（約 40%）：我們看到的光
- 紅外光（約 50%）：讓我們感到溫暖
- 紫外光（約 10%）：曬傷、合成維他命 D
- 其他波段極少
⚠️ 電磁波的危害
| 波段 | 能量 | 危害 | 防護 |
|---|
| 無線電波、微波 | 低 | 熱效應（微波爐原理） | 適當距離 |
| 紅外光 | 中 | 皮膚灼傷 | 避免直視強熱源 |
| 可見光 | 中 | 強光傷眼 | 不直視太陽 |
| 紫外光 | 中高 | 曬傷、皮膚癌、白內障 | 防曬霜、太陽眼鏡 |
| X 光 | 高 | 輻射損傷、致癌 | 鉛板屏蔽 |
| γ 射線 | 最高 | 嚴重輻射病、致死 | 厚鉛板/混凝土 |
⚠️ 規律：電磁波頻率越高（波長越短）→ 能量越強 → 危害越大 → 越難屏蔽
📌 本章總結
📌 本章總結
🎯 必記五大核心：
- 電磁波本質：電場⊥磁場⊥傳播方向，在真空中傳播速度 = c = 3 × 10⁸ m/s
- 波動關係：c = f × λ（頻率與波長成反比）
- 光子能量：E = h × f（頻率越高，能量越高）
- 可見光七色：紅橙黃綠藍靛紫（ROY G. BIV）
- 電磁波譜順序：無線電→微波→紅外→可見光→紫外→X光→γ射線
📝 關鍵詞中英對照
| 中文 | English | 符號 |
|---|
| 電磁波 | Electromagnetic Wave | EM wave |
| 電場 | Electric Field | E |
| 磁場 | Magnetic Field | B |
| 頻率 | Frequency | f |
| 波長 | Wavelength | λ |
| 光速 | Speed of Light | c |
| 光子 | Photon | — |
| 普朗克常數 | Planck's Constant | h |
| 紅外光 | Infrared | IR |
| 紫外光 | Ultraviolet | UV |
| 伽馬射線 | Gamma Ray | γ |
✏️ 即時練習
✏️ 即時練習（試試看！）
題 1：可見光波長範圍約為？
📌 點擊看答案
可見光波長範圍約為 380 nm - 750 nm（納米）。
1 nm = 10⁻⁹ m，所以可見光波長約為 3.8 × 10⁻⁷ m 到 7.5 × 10⁻⁷ m。
題 2：微波爐加熱食物的原理？
📌 點擊看答案
微波頻率約 2.45 GHz，能被食物中的水分子吸收，引起水分子劇烈震動、摩擦，從而產生熱能，加熱食物。
題 3：為什麼用稜鏡可以把白光分成七色？
📌 點擊看答案
因為不同顏色的光折射率不同：
- 紅光折射率小 → 偏離法線少
- 紫光折射率大 → 偏向法線多
經過稜鏡時，七色光被不同程度地折射，所以分散開。
題 4：X 光和 γ 射線哪個能量高？哪個更危險？
📌 點擊看答案
γ 射線頻率最高、波長最短、能量最大，所以也最危險。
規律：頻率越高 → 能量越強 → 危害越大 → 越難屏蔽