圖解電波與光的基礎和運用

1-1 電波的發現——赫茲的實驗與馬克士威的預言

我們的周圍充斥著各式各樣的電波。雖然我們在二十世紀之後才真正懂得如何利用這些電波，但電波這種東西早在人類誕生以前就已經存在於自然界中。雷聲響起、閃電劃過天空時，放出的電流會在空中產生電波。地球上也可接收到來自太空的各種電波。

但是，肉眼看不到電波，手也摸不到電波。直到1888年，德國物理學家赫茲才以實驗首次確認到電波的存在。

有一次，赫茲用圖1-1的裝置進行實驗。圖的左側有兩根彼此靠得很近的金屬棒，當通以高壓電時，金屬棒間會產生火花放電。赫茲發現，此時一個放在附近，有一個狹小缺口的金屬環也會產生火花。當赫茲停止金屬棒的通電後，金屬環缺口的火花也會消失。這兩根金屬棒與金屬環並沒有直接接觸，故只能想像可能是金屬棒間隙的火花產生了某種東西，經過空氣跑到金屬環的缺口，並在那裡產生了火花。而這所謂的某種東西，其實就是電波。

1-1 電波的發現——赫茲的實驗與馬克士威的預言

我們的周圍充斥著各式各樣的電波。雖然我們在二十世紀之後才真正懂得如何利用這些電波，但電波這種東西早在人類誕生以前就已經存在於自然界中。雷聲響起、閃電劃過天空時，放出的電流會在空中產生電波。地球上也可接收到來自太空的各種電波。

但是，肉眼看不到電波，手也摸不到電波。直到1888年，德國物理學家赫茲才以實驗首次確認到電波的存在。

有一次，赫茲用圖1-1的裝置進行實驗。圖的左側有兩根彼此靠得很近的金屬棒，當通以高壓電時，金屬棒間會產生火花放電。赫茲發現，此時一個放...

前言

「電波」與「光」乍看之下是毫無關係的兩種東西，但事實上它們都是「電磁波」的一種，只差在波長不同而已。電磁波除了電波與光之外，還包括了紅外線、紫外線、X光攝影中會用到的X射線、令人聞之色變的輻射線中的γ射線等。電波與光（可見光）只是電磁波的其中一部分而已。

本書將會用淺顯易懂的方式，介紹各種電磁波的性質、產生電磁波的原理，以及如何應用這些電磁波。

電波與光皆屬於電磁波，如名所示，它們都是一種「波」，故兩者都有著像波一樣的行為。不過在二十世紀後，陸續有人提出光可能是「粒子」的理論。時至今日，人們已確立光同時擁有「波」和「粒子」的性質，如同擁有雙重人格的角色。然而對一般人而言，這樣的敘述應該很難理解吧。

打開高中的物理教科書，是可以看到書上寫著「電波與光皆屬於波」、「光同時擁有波和粒子這兩種性質」、「除了光以外，還存在著如電子射線般，原本應以粒子狀態存在的電子，卻能展現出波的性質」之類的敘述，但只看教科書的話還是讓人覺得一知半解。為了讓學生理解這些敘述，高中的老師們會想盡辦法用各種有趣、易懂的方式說明。不過要是說明方式太爛，學生們就會覺得物理很難懂、很無聊，進而排斥學習物理，讓許多人逐漸遠離理科的學問。

本書的目標是將高中物理教科書中所提到的知識，以盡可能簡單、易懂的方式說明清楚。除了讓高中生看懂以外，也能回答一般人對電磁波的疑問。即使一般人覺得這些問題很困難而敬而遠之，也能在讀過這本書後，在某種程度上理解這些問題的答案。

手機和電視都會用到電波，是我們日常生活中常接觸到的應用，不過很少人知道它們分別是用那些頻率的電波，本書將對此詳細說明。

說到光，其實可以談到不少一般人不太清楚的故事。本書會試著詳細說明這些內幕，讓大家看完後能有「啊，原來如此，是這個樣子啊」的感覺。

最近在天文學的領域內也出現了許多大新聞。這些天文學上的發現並非只靠肉眼可見的光，還用到了無線電波、X射線等新型天文學研究方法。本書也花了一些篇幅介紹這些研究。

如果讀者在看過本書之後，能夠對原本覺得很困難而避之唯恐不及的電磁波開始有點興趣，並進一步試著瞭解相關知識，對我而言就是最大的回報了。

2018年5月

井上伸雄

前言

「電波」與「光」乍看之下是毫無關係的兩種東西，但事實上它們都是「電磁波」的一種，只差在波長不同而已。電磁波除了電波與光之外，還包括了紅外線、紫外線、X光攝影中會用到的X射線、令人聞之色變的輻射線中的γ射線等。電波與光（可見光）只是電磁波的其中一部分而已。

本書將會用淺顯易懂的方式，介紹各種電磁波的性質、產生電磁波的原理，以及如何應用這些電磁波。

電波與光皆屬於電磁波，如名所示，它們都是一種「波」，故兩者都有著像波一樣的行為。不過在二十世紀後，陸續有人提出光可能是「粒子」的理論。時至今日，人們...

前言

第一章 生活中不可或缺的電波
1-1 電波的發現——赫茲的實驗與馬克士威的預言
1-2 電波的頻率——1秒內有幾個波峰呢
1-3 再複雜的波也可視為sin波的組合——瞭解電波的性質
1-4 電波的各種傳播方式——直線前進、繞射、反射、折射
1-5 電波的干涉——同相會增強、反相會減弱
1-6 以頻率為電波分類——分為通訊、電視廣播、雷達等用途
1-7 天空中有一層可反射電波的電離層——業餘無線電玩家的功勞
1-8 頻率的寬度是什麼——頻寬越廣品質越好
1-9 電視廣播所使用的電波——NHK東京為FM 82.5 MHz的意思
1-10 手機所使用的電波——白金頻段的爭奪戰
1-11 雷達所使用的電波——極度精密的氣象雷達
1-12 放出電波、處理電波的天線——長度為波長的一半的效率最好
1-13 可自由改變電波方向的「相位陣列天線」——應用在神盾艦與5G手機上
1-14 利用電波傳送電力的「微波無線供電」——應用在海上風力發電與太空中的太陽能發電

第二章 電磁波的本質
2-1 電場與磁場——開放的電力線、封閉的磁力線
2-2 電力與磁力的關係——電力產生磁力、磁力產生電力
2-3 馬克士威的預言——光也是一種能在真空內前進的電磁波
2-4 電磁波是電波與磁波糾纏在一起所形成的波——360度往外擴張前進
2-5 電磁波的極化是什麼——手機所使用的垂直極化波、電視所使用的是水平極化波
2-6 電子的振動會產生電磁波——溫度提升時會產生電磁波
2-7 電磁波可讓電子振動——電波如何將水加熱
2-8 電磁波對人體的影響——對心律調節器的影響
物理之窗 弗萊明定則

第三章 電波和光是同樣的東西
3-1 光也是電磁波——從紅外線、可見光，到X射線、γ射線
3-2 物體溫度上升時會產生電磁波——黑體輻射的光譜
3-3 太陽與恆星所放出的電磁波——由光譜測量星體的溫度
3-4 紅通通的太陽——夕陽為什麼是紅的？
3-5 X射線是波長較短的電磁波——如何產生X射線？
3-6 對人體來說危險性很高的γ射線——不過可以用來滅菌或消毒
3-7 以電波觀測星星的電波天文學——甚至用到亞毫米波來觀測
3-8 從電波可以瞭解到宇宙的什麼呢？——黑洞與宇宙背景輻射
3-9 可見光窗、電波窗——之所以只能在大氣層外捕捉到來自宇宙的X射線，也是肇因於此
3-10 極光的成因與顏色——極光與霓虹燈的原理相同
3-11 各種物質所發射出來的光譜——當激發態的電子回歸基態時
3-12 用光譜研究宇宙中的物質——從天體的速度，到宇宙的膨脹
3-13 尋找「第二地球」——由吸收光譜分析大氣成分
物理之窗 原子結構

第四章 光的各種性質
4-1 光擁有波的性質——楊格的光干涉實驗
4-2 繞射光柵——可用來測量波長
4-3 光通過結晶時可觀察到繞射——由布拉格定律瞭解結晶結構
4-4 光是波還是粒子——愛因斯坦的光量子假說
4-5 電子的波——同時是波也是粒子的波粒二相性模型
4-6 光學顯微鏡與電子顯微鏡——波長越短，解析度越高
4-7 光會產生壓力嗎？——藉由太陽光的壓力推進探查機
4-8 光速為秒速30萬公里——羅默的觀測與斐索的實驗
4-9 光速一定，不會改變——邁克生與莫雷的實驗
4-10 光為什麼會折射呢——隨著介質與波長的不同，光會有不同程度的折射
4-11 光的全反射——鑽石的光彩奪目來自於它很高的折射率
4-12 藉由光纖纜線來傳送光訊號——前進20 km後仍有一半的強度
4-13 天空與大海為什麼是藍色的呢——波長較短的藍光會在空氣中漫射，在大海中則可持續前進
4-14 對人類肉眼有害的光：紫外線與藍光——請避開短波長的光

第五章 接下來是光子學的時代
5-1 光子學是什麼——以電子學控制光子的技術
5-2 雷射光——用於光通訊的同調光
5-3 半導體雷射——1秒內發出數百億次光脈衝
5-4 LED是二十一世紀的照明工具——藍光LED的發明拓展了LED的用途
5-5 CD、DVD、BD——藍光雷射可記錄五倍於DVD的資料密度
5-6 用光來通訊——容量越來越大、速度越來越快
5-7 會用到光的「量子電腦」——什麼是「量子疊加態」？
物理之窗 愛因斯坦預言了「重力波」的存在
索引

前言

第一章 生活中不可或缺的電波
1-1 電波的發現——赫茲的實驗與馬克士威的預言
1-2 電波的頻率——1秒內有幾個波峰呢
1-3 再複雜的波也可視為sin波的組合——瞭解電波的性質
1-4 電波的各種傳播方式——直線前進、繞射、反射、折射
1-5 電波的干涉——同相會增強、反相會減弱
1-6 以頻率為電波分類——分為通訊、電視廣播、雷達等用途
1-7 天空中有一層可反射電波的電離層——業餘無線電玩家的功勞
1-8 頻率的寬度是什麼——頻寬越廣品質越好
1-9 電視廣播所使用的電波——NHK東京為FM 82.5 MHz的意思
1-10 手機所使用的...