Friday, September 14, 2012

太陽中心二千萬度的高溫下，氫、氦、氮、碳等元素原子的電子和原子核，全都分離，原子核都有極高的速度，從而發生四個氫變成一個氦的聚合反應，也就是熱核反應

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蝴蝶媽媽與烏賊小子
葉哲良　助理教授
國立清華大學微機電所
國立清華大學動機系、電子所
繪製 : 陳美玲 & 呂衍昇
大　自　然　的　色　彩
光與自然
太陽
http://www.webopus.net/whitehorse/gallery.html
http://astrosun2.astro.cornell.edu/academics/courses//a102/Images/sun.gif
太陽含有極豐富的氫和氦，在太
陽中心二千萬度的高溫下，氫、氦、
氮、碳等元素原子的電子和原子核，
全都分離，原子核都有極高的速度，
從而發生四個氫變成一個氦的聚合反
應，也就是熱核反應。此反應過程中
會釋放大量光和熱。
閃電 (Lightning)
一　塊雷雨雲裡，正電
荷和負電荷分開的兩部分相
互吸引，像磁鐵一樣。而阻
止兩者的絕緣體是空氣。當
雷雨雲裡和地上的電荷便得
夠強時，兩部分的電流會衝
破空氣的阻礙。正電荷和負
電荷相接觸的火光就是「閃
電」，而如此也讓電荷相互
平衡了！
http://www.weatherbook.com/photo.html
紅色精靈
閃電發生之後，使得雷雨雲層帶單
一種電荷，這種帶電雲層累積到相當程
度之後就會轉而往高空放電，產生紅色
精靈(red sprite)現象。
當雷雨雲在近地面放電時，正電荷
自雲區移至地面，此時在雷雨雲上空的
(20~90 km)電荷必將重新分佈，造成眾
多電子加速彼此碰撞。被激發的N
2
分子
隨後以自發輻射(spontaneous
emmission)的方式產生以紅色為主的N
2
1P光譜。由於缺乏觀測數據，這樣的推
論是否正確仍有待驗證。
有待華衛二號的努力！
http://science.newton.com.tw/scientists/sci/ch_sci8.htm
畫　作
1905年畫家Andre Derain(1880-1954)
為大師馬諦斯所繪製的肖像。
用色彩來舖陳臉頰受光的部份
─ 以橘色 / 紅色表現受光的一面。
─ 以藍色 / 綠色表現陰影處。
秀拉 (Georges Seeurat) 繪畫的「大
碗島夏日的星期天午後」。
─ 用一個個純色的點來組成畫面。
─ 至少對38種顏色進行了研究。
寶石的光學
貓眼
例如：貓眼石(金綠寶
石)、月亮石（月光石）
變彩
例如：蛋白石（閃山雲）
暈彩（薄膜效應）
例如：有裂紋的水晶
六射星光
例如：紅、藍寶石、石榴石
http://www.joerica.com/brief_reference_opt_eff_x.htm
寶石的顏色與能量
給予您進取心、勇氣及積極性
紅色
紅色象徵強壯的肉體、感情。如：紅寶石、石榴石、珊瑚、紅碧玉、紅色尖晶石、紅碧璽等。
掌管愛情、調和您的心情
粉紅色
粉紅色是教養、安穩的顏色。如：粉紅水晶、印加玫瑰、粉紅鑽石、粉紅藍寶石、粉紅碧璽等。
給予您活力、去除煩惱
黃色
黃色是協調溝通的顏色。如：日長石、黃水晶、拓帕石、黃色碧璽等。
安定您的精神、掌管愛情與友情
綠色
綠色是平衡的顏色，減輕心理的混亂。如：祖母綠、矽孔雀石、翡翠、橄欖石、孔雀石等。
去除恐怖與不安、增加您的直覺力、想像力與集中力
藍色
藍色是知性與精神的顏色。如：帕拉依巴碧璽（Paraiba）、藍寶石、天藍色縞瑪瑙、青金石等。
愛情、靈魂的解放
紫色
紫色是最敏感的顏色。如：紫水晶、紫色藍寶石、黝簾石、菫青石等。
釋放負面的情感、給予您冷靜的判斷力
金色、咖啡
一種可安定心情的寶石。如：琥珀、黃金、沙漠玫瑰、煙水晶、虎眼石、黃鐵礦、金絲髮晶等。
可以反彈邪惡的能量
黑色
黑色是最強力的守護色。如：黑瑪瑙、黑珊瑚、玻隕石、黑玉、黑碧璽等。
提升您的運氣、增加名譽
變彩
如：蛋白石。
http://www.korchen-jewelry.com/energy.html
自然色彩
WS03/04: Light and Color in Nature – Refraction
蔣捷
賀新郎
渺渺啼鴉了，垣魚天、寒生峭嶼，五湖秋曉。竹幾一燈人做
夢，嘶馬誰行古道。起搔首、窺星多少。月有微黃籬無影，挂
牽牛、數朵青花小。秋太淡，添紅棗。愁痕倚賴西風掃，被西
風、翻催鬢鬒，與秋俱老。舊院隔霜帘不卷，金粉屏邊醉倒。
計無此、中年懷抱。萬里江南吹簫恨，恨參差、白雁横天杪。
未斂，楚山杳。
解連環
妒花風惡，吹青陰漲，亂紅池閣。駐媚景、别有仙葩，遍瓊甃
小台，翠油疏箔。舊日天香，記曾繞、玉奴弦索。自長安路
遠，腻紫肥黃，但譜東洛。天津霽虹
霽虹似昨，聽鵑聲度月，春又
寥寞。散艷魄、飛入江南，轉湖渺山茫，夢境難托。萬疊花
愁，正困倚、鉤欄斜角。待攜尊、醉歌醉舞，勸花自樂。
色　彩
參考出處： www.color.org
‧三屬性：
–色度 (Hue) - 區別各顏色，如：紅、黃、藍。
–明度 (Brilliance) - 光度，係指色之明暗。
–彩度 (Chroma) - 色彩飽和度。
‧三要素：
–被觀察的物質
–光的存在
–觀測者的感受
電磁波頻譜
可見光之波長，僅佔很窄之範圍：380nm～760nm
顏色：380nm ～ 430nm 紫色
430nm ～ 485nm 藍色
485nm ～ 570nm 黃色
585nm ～ 610nm 橙色
610nm ～ 760nm 紅色
每個人對光的感受不同
光的三元色
根據 R. C. Gonzalez 的 Digital Image Processing 一書，
1931 年 CIE 的規定，三元色的波長分別是：
R
G
B
436nm
546nm
700nm
http://cglab.cs.nthu.edu.tw/MMIS2003/color/light.htm
三元色 : 光與顏料
RGB的光
RGB的顏料
顏料、光的差異性：
光線可以直接射入眼中或經過反射後進入眼中，
而顏料的顏色則是透過光線照射到顏料後，部份光線被吸
收，由反射光線進入眼中後呈現所看到的色彩，例如紅色
的顏料會吸收日光中大部份的綠光與藍光，僅剩下紅光較
能反射出來，因此看到紅色，而黑紙則幾乎吸收了所有的
入射光線，但並不見得完全吸收。
三元混合
白光（照明）＝紅色（照明）+ 藍光（照明）+ 綠光（照明）
紅色顏料＝白光（照明）– 藍光（吸收）– 綠光（吸收）
藍色顏料＝白光（照明）– 紅光（吸收）– 綠光（吸收）
＋　綠色顏料＝白光（照明）– 藍光（吸收）– 紅光（吸收）
? ＝白光（照明）– [藍光 + 紅光 + 綠光]（吸收）
顏料基本三色
雖然紅光 + 綠光會合成『黃光』，但是紅色顏料 +
綠色顏料會組合成　？　色
紅色顏料會吸收藍光與綠光，綠色顏料則吸收藍光與紅
光，於是只有少數『光』能反射出來，因此顏料相加後會感
覺越來越暗，然而所用的三種基本顏色顏料是紅紫色
(Magenta) + 黃色 + 淡藍(cyan)，可不再是光的三元色：
紅、藍、黃，其分別吸收綠光、藍光與紅光。
人眼的光感測器
我們的視網膜包含三類錐形對光敏感的細胞，分別對不同波長範圍的
光有反應，不同的波長範圍代表不同的顏色，所以錐形細胞可以分辨顏色
（波長）。　另外有一種柱狀的細胞，對光線的強度更是敏感，用於提供
夜間（暗處）的視覺。
http://www.phy.ntnu.edu.tw/demolab/optics/rainbow/colorfulworld.htm
人眼的色彩感應度
雖然視網膜只有三
種能分辨不同波段（顏
色）光的細胞，但是藉
由　紅、綠、藍　三種不
同強弱的光線組合後，
可產生多種的顏色感
覺，再配合細胞感光的
強弱，使我們能分辨多
種顏色的光。
人眼睛主要感
應波長
約6000埃
約5500埃
約4500埃
人感受顏色
紅
綠
藍
大自然色彩的起源
生態系：由簡入繁（奢）。
光：建構同種與異種間的溝通體系。
Cambrian Explosion (寒武紀) ：發生於五億年前，突然且大
量多樣的物種出現；掠食者與獵物的多彩性，及視覺系統的
發展，引爆物種的演化。光被視為可能是驅使物競天擇的主
要動力。
自然界的色彩：
1. 天然化合物(natural chemical)與色素(pigment)
2. 光子微結構(photonic microstructure)
3. 其他
寒武紀
http://life.nthu.edu.tw/archive/precambrian/cambrian.html
寒武紀是地質歷史劃分中屬古生代的第一個紀，距今約5.6億至5.1億
年，是現代生物的開始階段。寒武紀的地球特徵完全不同於今天，常被
稱為“三葉蟲時代＂，是因為岩石中保有豐富的石化三葉蟲硬殼。
古生物學寒武紀大爆炸時期，各種各樣的動物在這時期迅速起源，且
立即出現，現在地球上的各個動物門類幾乎在當時都已存在（動物多樣
性），這不是經過長時間的演化而來。
色彩產生機制
1. 色散
2. 薄膜干涉
3. 吸收光譜
4. 冷光
5. 螢光
6. 布拉格干涉
7. 其他…
反射與折射
反射
折射
Snell's Law ：n
1
sin(θ
1
) = n
2
sin(θ
2
)
反射定律：入射角等於反射角的關係
http://gallery.hd.org/_virtual/ByCategory/natural-
science/prism/and/refraction/of/light/into/rainbow/
http://www.zoshindo.co.jp/Rjiten/hikari.htm
色散 (Dispersion)
http://www.phy.ntnu.edu.tw/demolab/optics/rainbow/rainbow.html
不同頻率的光線(或稱不同顏色的色光)在介質內的行進速度並不相同，
因此當光線在兩介質的介面上發生折射時，不同頻率的光線折射角便不相
同。於是由許多種不同頻率光線所組成的陽光在發生折射時，不同頻率的光
線會從不同角度折射出來，形成　紅　澄　黃　綠藍　靛　紫　等彩色的條紋，我們
說光線發生『色散』了。
不同頻率的光
線在介質內的
行進的速度
徐志摩 - 再別康橋
輕輕的我走了，正如我輕輕的來；
我輕輕的招手，作別西天的雲彩。
那河畔的金柳，是夕陽中的新娘；
波光里的艷影，在我的心頭蕩漾。
軟泥上的青荇，油油的在水底招搖；
在康橋的柔波里，我甘心做一條水草！
那榆蔭下的一潭，不是清泉，
是天上虹揉碎在浮藻間，沉澱著彩虹似的夢。
尋夢？撐一支長蒿，向青草更青處漫溯，
滿載一船星輝，在星輝斑斕里放歌。
但我不能放歌，悄悄是別離的笙簫；
夏蟲也為我沉默，沉默是今晚的康橋！
悄悄的我走了，正如我悄悄的來；
我揮一揮衣袖，不帶走一片雲彩。
光線會被折射進入水滴內，
由於不同『顏色』的光線彎曲
的程度不同，於是水滴內不同
顏色的光線便被分開了。
彩虹的多色
當光線第二次遇到水滴與空氣的邊界
時，大部份的光線會很快又折射出去。但少
部份在水滴內經過一次反射的光線，在第三
次遇到水滴與空氣的邊界時，部份被折射出
去的光線會形成『虹』（如右圖）。又被反
射回水滴內的光線，在第四次遇到水滴與空
氣的邊界時折射出去的光線會形成『霓』。
http://nature.ckps.tpc.edu.tw/%E7%A7%91%E5%AD%B8%E5%AF%A6%E9%A9%97/%E5%BD%A9%E8%99%B9%E7%9A%84%E5%BD%A2%E6%88%90.htm
色散 + 散射 (Scattering)
『虹』　在水滴中經過了　一次反射　及兩次折射，而『霓』比『虹』多
經過了一次的反射　（兩次反射及　兩次折射），所以　『霓』的光線強度會比
『虹』弱很多。
http://www.phy.ntnu.edu.tw/demolab/optics/rainbow/rainbow.html
薄膜干涉 (Interference)
• Two or more light beams are superposed.
http://micro.magnet.fsu.edu/optics/lightandcolor/interference.html
吸收光譜 (Absorption Spectra)
分子吸收某些特定頻率（波
長）的光（亦即能量），將
電子或分子鍵由較低的能階
提升到較高的能階，因此，
該頻率的光被分子吸收。
1
2
1. 電子能階轉移
2. 電子能階轉移 + 振動能量
古詩十九首
八
冉冉狐生竹，結根泰山阿。與君為新婚，兔絲附女蘿。
兔絲生有時，夫婦會有宜。千里遠結婚，悠悠隔山陂。
思君令人老，軒車來何遲！傷彼蕙蘭花，含英揚光輝。
過時而不采，將隨秋草萎。君亮執高節，賤妾亦何為！
九
庭中有奇樹，綠葉發華滋。攀條折其榮，將以遺所思。
馨香盈懷袖，路遠莫致之。此物何足貴，但感別經時。
顏色：樹葉、花朵
樹葉顏色：由不同種類的色素組成，三
大主要成分種類：葉綠素 (Porphyrins)
、類胡蘿蔔素 (Carotenoids)、類黃酮
素(Flavonoids)。
花朵的顏色主要由兩類色素所決定：類
黃酮素及類胡蘿蔔素；花青素產生粉紅
色、紅色、紫色及藍色的花色。
色　素
成　分
顏　色
葉綠素
chlorophyll (葉綠素)
green
類胡蘿蔔素
carotene
lycopene (茄紅素)
xanthophyll (葉黃素)
yellow, orange
red
yellow
類黃酮素
flavone (兒茶素)
flavonol
anthocyanin (花青素)
yellow
yellow
red, blue, purple, magenta
樹葉
http://www.na.fs.fed.us/spfo/pubs/misc/autumn/autumn_colors.htm
曾思詩 – 秋山
在秋紅落英的溪谷中　重見感動
拾掇一地的楓香　密密封存
如此　留住秋天的容顏
在聆聽著飛揚歌聲的那刻　記憶甦醒
收拾過去的點滴　細細縫綴
終生　編織想念的翅膀
在杉影風動的天空裡　發現美麗
採集一身的陽光　緊緊包紮
於是　擁住滿心的溫暖
在凝望著燦爛笑顏的那剎　快樂滿溢
記取此刻的歡心　深深埋藏
終年　釀製喜悅的醇酒
秋葉變色
呈現綠色：充斥葉綠素
壓抑現象：葉綠素(chlorophyll) > 其他色素
花青素(anthocyanins) > 類胡蘿蔔素(carotenoids)
- 夏秋之際，光照量下降會導致葉綠素產量減少，此時葉綠
素分解速度卻維持不變，因此葉綠素總量下跌。
- 當花青素與類胡蘿蔔素並存，會呈現橘色。
- 剩下類胡蘿蔔素時，會呈現黃色。
- 花青素顏色控制因子：酸鹼(pH)值。
- 花青素因糖量濃度激增而增產，因而呈現紅色(果實)。
- 所有的色素都消失時，植物的其他化學成分會影響樹葉顏
色，如：丹寧酸(tannin)使得有些橡木呈現棕色。
葉綠素
葉綠素是參與光合作用的主要色素，
它存在植物細胞內的葉綠體中，葉綠素反
射綠光並吸收紅光和藍光，使植物呈現綠
色。葉綠素有若干形式，其中最重要的一
種是葉綠素a。葉綠素a比較不穩定，太會
吸收光能，產生太多的高能離子。
葉綠素常與類囊體膜上的蛋白質結合
而存在，是一種色素蛋白複合體。
葉綠素a與葉綠素b在構造上稍異，前
者在側鍵(II的3C位置)上是-CH3-，但後者
則為-CH0-。其分子式分別為C55H72O5N4Mg
與C55H70O6N4Mg。
http://www.chm.bris.ac.uk/motm/chlorophyll/chlorophyll_h.htm
兩類的葉綠素
Chlorophyll a---C
55
H
72
O
5
N
4
Mg
Chlorophyll b---C
55
H
70
O
6
N
4
Mg
http://www.ph-
weingarten.de/homepage/faecher/biologie/Schadstoffmessungen_in_Weingarten_SS_2000/Ch
romatografie_von_Blattfarbstoffen_zur_Luftschadstoffermittlung/gesamtes_Chromatografie_
Projekt.htm
翡翠 JADE
種類：
翡翠產於與蛇紋岩伴生的基性岩體之中（低溫高壓環境）。
（1）軟玉 / 閃玉(Nephrite)：含鎂的透閃石 (Tremolite) 或含鐵的陽起石
(Actinolite) 。
（2）硬玉 (Jadeite)：含鈉的輝石 (Jadeite) 。
顏色：
一般人多以為翡翠是翠綠色，其實翡翠顏色極多樣，有紅、
紫、黃等顏色。純硬玉鈉鋁矽酸鹽應該為白色，顏色大都由
鉻、鋁、鐵三種金屬離子化合物替代的結果。
（1）綠色：鉻。
（2）紅色：褐鐵礦。
（3）紫色：二價鐵和三價鐵的價次躍進變遷。
產地：緬甸、日本、獨立國聯烏拉爾、委地馬拉與美國加州。
變色 (Color Changing)
北極狐 (Arctic fox) 隨季節
有著不同顏色的羽毛；夏
天棕土色，冬天雪色。
鳥類或哺乳類，季節改變日
照量或溫度，刺激賀爾蒙反
應，生產不同的色素體。
蜥蜴(chameleon)
隨心情改變顏色。
烏賊
烏賊(cuttlefish)偽
裝(camouflage)
camouflage)。
鳥類與哺乳類的色素體存於死細胞；
爬蟲類、兩棲類與魚類存於活細胞。
http://science.howstuffworks.com/animal-camouflage2.htm
烏賊結構
http://www.foodmarketexchange.com/datacenter/product/seafood/squid/detail/dc_pi_sf_squid_0202_02.htm
http://www.fisheries.nsw.gov.au/kids/fun/fun-cool-cuttlefish.htm
烏賊 (Cuttlefish)
烏賊為軟體海洋動物。四大特點：
- 偽裝 (camouflage)
能藉由快速改變皮膚上的顏色與紋路來偽裝。
- 墨汁噴射(sepia ink squirting)
當敵人來襲，噴射墨汁；同時藉由噴射推進逃離現場。
- 噴射推進 (jet propulsion)
藉由輕輕蕩漾襯裙似的鰭，滑翔於水中。
- 中性浮力 (neutral buoyancy)
能藉由調整體內中體液與空氣的比例來改變潛水深度。
烏賊偽裝 (camouflage)
當肌肉縮收，色素擠壓到色素體上層，色素體細胞壓扁如碟盤。
當肌肉釋放，色素體細胞變為小球狀，不易看出顏色。
剪輯：National Geography DVD
色素體 (Chromatophore)
烏賊的色彩與樣式是由色素體
所控制。一個色素體機構包含
一個色素體細胞、四到二十四
條肌肉、神經、神經膠質(glia)
與鞘細胞(sheath)。色素微粒
存在於色素體細胞內；軟的鞘
細胞幫助色素體機構滑動於真
皮組織內。
色素體收縮與擴張導致主要摺
疊層出現與消失(primary
infoldings and pouches)，控
制色素微粒的顯現。
http://tolweb.org/accessory/Cephalopod_Chromatophore?acc_id=2038
冷光 (Chemi-luminescence)
將化學能階提高，再降低能階，最後以光的形式釋放。
hν
如：firefly and glowworm (螢火蟲) 等
螢火蟲 (Firefly)
光是螢火蟲最引人注目
的地方，可是螢火蟲為什
麼能發光呢？原來在這些
螢火蟲的發光器裡頭含有
一種叫做螢光素的含磷化
學物質。這種螢光素在發
光酵素的催化下會進行一
連串的生化反應，而光是
這些複雜生化反應下的產
物。
http://www.befuntravel.com.tw/member/desktop/des
ktop_animal.htm
http://www.jeansgarden.idv.tw/bug/bug_About.htm
螢火蟲的發光機制
發光：氧化還原反應
參與反應化學物質：
蟲螢光酵素(luciferase)、螢
光素(luciferin)、三磷酸腺甘
(ATP)、二價鎂離子。
反應過程：
螢光素與氧反應形成螢光素
過氧化物，釋放二氧化碳，
成為激發態螢光素，發出
光，變成氧化螢光素。少部
分能量轉為熱量。所以當螢
火蟲停在我們的手掌上時，
我們不會有有熱熱的或燙燙
的感覺。
杜　牧 "秋　夕"：
銀　燭　秋　光　冷　畫　屏
輕　羅　小　扇　撲　流　螢
天　階　夜　色　涼　如　水
臥　看　牽　牛　織　女　星
luciferin
+ O
2
luciferase
(oxygenase)
oxyluciferin
+ light
螢火蟲為何發光
螢火蟲發光的原因：
0. 不同螢火蟲發光的頻率與顏色都不同。
1. 求偶、溝通
一般在天空飛的成蟲大多數是雄蟲，而雌蟲幾乎只在草叢裡爬行，有些雌
蟲像陸生的臺灣山窗螢，甚至和雄蟲有完全不同的外貌，牠們為了求偶，
便一閃一閃發出光來傳訊信息。
2. 覓食
美國佛羅里達州螢火蟲Dhoturisspp的雌蟲會模仿其他種類的雌蟲所發的
光，然後等待所模仿種類的雄蟲接近時，加以捕食。
3. 警戒
當螢火蟲受到外敵干擾時，為了驅走敵人，便發出強烈的光嚇退敵人，達
到自保的目的，這種現象尤其在幼蟲期特別明顯。
發光蕈
通常需要連續下雨三四天以上，且氣候溫暖潮濕，才能在某些
特定的竹林裡欣賞到螢光蕈醉人的身影。連續兩年，梅雨季與每個颱
風天的夜裡（當然是要沒下雨），都到屏科大後山報到。八卦山、天
池也有。
(http://www.ghps.ptc.edu.tw/main.htm)
螢光 (Photo-luminescence)
步驟
1. 黑線：吸收較短波長
的光源，提升能階。
2. 藍線：原子、分子內
部的能階轉換。
3. 紅線：降低能階，釋
放激發光。
水母
http://www.danciprari.com/worldtrip/australia.htm
水母與螢光蛋白質
水母的主要成份為水(95%)、鹽份(3-4%)
及蛋白質(1-2%)，有著飛碟般的傘狀身
體，因此有人叫它「海中幽浮」。
水母是一群早在七億年前即出現在地球
上的生物，屬腔腸動物門，而所謂的腔腸
動物就是指進食和排泄都從同一個出口(有
嘴巴而沒有肛門)。而水母更是一群可自由
移動的大型浮游動物，主要的個體有兩
層，外層的細胞有很多刺是捕食的工具，
而內層細胞則主要在於消化功能，兩層細
胞間是中膠質，只含少量散在細胞。而有
如透明果凍的身軀含水量高達百分之九十
五，利用消化酵素來分解食物，而種類更
高達一萬一千多種。
http://www.york.ac.uk/depts/biol/units/cru/gfpintro.htm
水母綠螢光蛋白(green fluorescent protein，GFP)常
為研究胚胎發育、基因表現的常用工具。
螢光蛋白質具有238個胺基酸，分子量約為26,888Da，在
1992 年由華盛頓州 Friday Harbor 的水母（ jellyfish ，
Aequorea victoria）身上得到其基因，此GFP的最大特點是
在於本身散發的綠色螢光，不需其他因子或受質來參與或催
化，而且對於細胞無害，故自1994以來已經廣泛地在各種領
域被應用，成為一個極佳的訊息告知者。
http://www.ftns.wau.nl/micr/bacgen/jasper/
螢光染料光譜
布拉格干涉 (Bragg's Interference)
d
θ
θ
Particle of material
reflecting wave
Wave
Source
θ θ
A
B
C
http://www.pha.jhu.edu/groups/mrsec/11/ret/WDRET/Braggs/ExplanationofBragg.htm;
http://www.discoverchemistry.com/dcv2-docroot/student/0500/0503.html
If the angle θ is such that the distance ABC is equal to λ or
some multiple of λ, constructive interference will occur.
光子晶體的穿透特性
圖為一個典型的光子能帶穿透頻譜範例，在
此圖中能帶範圍為從514~600nm的範圍，因此此波
長範圍內的光皆被反射，產生零能量穿透。
工研院 , 淺談新世代奈米玻璃材料（光子晶體）
李商隱 – 無題
錦瑟無端五十弦　一弦一柱思華年
莊生曉夢迷蝴蝶　望帝春心託杜鵑
滄海月明珠有淚　藍田日暖玉生煙
此情可待成追憶　只是當時已惘然
蝴蝶翅膀具有光子晶體結構
Butterfly 起源:
British's butterfloge
Butter -> yellow
Fly -> flying
鱗片Scale: 保護蝴蝶，若掉入蜘蛛
網，可抖落鱗片逃脫。
Parts of the wing : Wing > Scales > Veins > Ridges
(http://webexhibits.org/causesofcolor/15.html#sem)
Militaries Study Animals for Cutting-Edge Camouflage / By James Owen in England for National Geographic News March 12, 2003
光子晶體結構
科學家在蝴蝶的翅膀上也發現了類似光子晶體的
結構。又因為當光與光子晶體所產生的夾角改變的時
候，會使光子晶體反射不同頻率的光，這便說明了蝴
蝶的翅膀看起來五彩繽紛的原因。
機械工業雜誌 245 期 117
翅膀的光子晶體結構
http://micro.magnet.fsu.edu/primer/lightandcolor/interferenceintro.html
蝴蝶光子晶體的光學
顏色與視角
參考資料：台灣賞蝶寶鑑
溫庭筠 – 菩薩蠻
小山重疊金明滅，鬢雲欲度香腮雪。
懶起畫蛾眉，弄妝梳洗遲。
照花前後鏡，花面交相映。
新帖繡羅襦，雙雙金鷓鴣。
蛾 (Moth)
http://www.eyedesignbook.com/ch3/eyech3-c.html ; http://www.emlab.ubc.ca/beeknees.htm ;
http://www.emlab.ubc.ca/gallery/elaineImages/elaine_eyeingit1.html
蜂鳥 (Hummingbird)
http://www.tamarindo.net/animals/animals.htm
獨立羽枝 barbs (left) 通常含有一
層層填充空氣的黑色素小板。
TEM羽枝切面影像 (right, Greenwalf
1960) 展現週期性結構。
(scale bar: left 1mm; right 120nm)
“Optical interference coatings”, N. Kaiser, H. K. Pulker(Eds)
甲蟲 (Beetle)
(abdomen)
(shell)
http://www-viz.tamu.edu/showcase/thswkimg/k_calkins/presentation/index.html
海老鼠 (Sea Mouse)
海老鼠是生活在水深不超過2000公尺的一種海中蠕
蟲，身長約15-20公分，身寬5公分，正式名稱為
Aphrodita，是由十八世紀的瑞典植物學家林奈(C.
Linnaeus)所命名。它的整個背部覆蓋了毛氈狀的長
刺，呈現出色彩繽紛的外觀，這個色彩繽紛的外觀，來
自於其針狀毛髮對光的反應。
http://nano.nchc.gov.tw/photonic/photonic.php
http://www.mermaid1.demon.co.uk/worms/body_worms.htm
海老鼠的光子晶體
http://nano.nchc.gov.tw/photonic/photonic.php
http://nano.nchc.gov.tw/photonic/photonic.php
當光以垂直角度入射時，毛刺呈紅色，隨著入射角的偏
離，顏色也越偏藍綠色(左圖)。這個反射光顏色隨入射角度
而變的性質，正是光子晶體的特徵之一，而海老鼠的毛刺在
電子顯微鏡下(右圖)，清楚地呈現六角晶格的週期結構。
蛋白石 (Opal)
蛋白石是一種天然
寶石，顏色有黑、橘
紅、半透明、乳白色
等，以乳白色居多，
故取名蛋白石。蛋白
石的特色在於七彩繽
紛的外觀，由不同的
角度觀賞，它會呈不
同的顏色。蛋白石是
礦物界的光子晶體。
電子顯微鏡下的蛋
白石，結晶蛋白石呈
週期性的六角晶格
(hexagonal)排列，具
有光子能帶結構，是
自然界的光子晶體。
http://www.cmth.ph.ic.ac.uk/photonics/intro/manufacture.html
http://www.lostseaopals.com.au/opals/index.asp
蕨類植物 (Fern)
光子晶體所建構
成的藍色光譜。
鱗 - 甲殼綱動物 (Crustacean)
View one : 0°
View two : 90°
http://webexhibits.org/causesofcolor/15F.html
珍珠母 (海貝殼)
海貝殼斷面，由幾丁質 (Chitin)構成。
http://webexhibits.org/causesofcolor/15B.html
Brittle Star
http://www.eyedesignbook.com/ch3/eyech3-b.html#1.%20Flatworms
http://www.eyedesignbook.com/ch6/eyech6-c.html
海　星
http://www.anselm.edu/homepage/jpitocch/genbios/33-38-SeaStarAnatomy-L.jpg
魚鱗
25µm
沙丁魚 (sardine)
Harengula jaguana
為何呈現銀色？
http://www.sms.si.edu/irlspec/Hareng_jaguan.htm ; “Optical interference coatings”, N. Kaiser, H. K. Pulker(Eds)
蝸牛
http://www.vibrantsea.net/snail15_hardy5.htm
Blue Ring Top Snail
Calliostoma annulatum
孔雀東南飛
漢末建安中，廬江府小吏焦仲卿妻劉氏，為仲卿母斫遣，自誓不嫁。其家逼之，
乃沒水而死。仲卿聞之，亦自縊于庭樹。時人傷之，為詩云爾。
孔雀東南飛　五里一徘徊　十三能織素　十四學裁衣
十五彈箜篌　十六誦詩書　十七爲君婦　心中常苦悲
君既爲府吏　守節情不移　賤妾留空房　相見常日稀
雞鳴入機織　夜夜不得息　三日斷五疋　大人故嫌遲
非爲織作遲　君家婦難爲　妾不堪驅使　徒留無所施
便可白公姥　及時相遣歸　府吏得聞之　堂上啓阿母
兒已薄祿相　幸複得此婦　結髮同枕席　黃泉共爲友
共事二三年　始而未爲久　女行無偏斜　何意致不厚
……
孔雀
孔雀 (peacock)羽毛(feather)
每一枝羽毛都帶有一連串的光
輝多彩的斑點，實際上的顏色
取決於斑點的位置與入射光的
角度。
羽毛細部結構
http://webexhibits.org/causesofcolor/15C.html
白子孔雀
因缺乏黑色素(black
melanin pigment)而
形成白子。
多彩的孔雀是因為黑
色素吸收大多數的入
射光，所以人們可以
看見反射的干涉顏
色。
在白子身上，人們僅
能看見環境中的高亮
度白光。
http://webexhibits.org/causesofcolor/15C.html
不同視角
色澤取決於薄片間的空間頻率，由視角決定！
http://webexhibits.org/causesofcolor/15C.html
孔雀羽毛細部
每一羽毛分枝有著許多看
似壓痕的圓形結構，其底
部為微小薄板 (micro-
lamellas)，將光分散，為
羽毛上色。
孔雀羽毛的顏色策略非常精妙，小羽枝表
皮下面的週期結構是羽毛結構顏色的起因。不
同顏色是由於表皮下的週期結構的週期長度不
同，藍色、綠色、黃色、棕色小羽枝對應的週
期長度依次增大。棕色羽毛還利用了Fabry－
Perot干涉效應，其週期數目最小，由F－P效
應造成額外的藍顏色，形成混合色而呈棕色。
http://webexhibits.org/causesofcolor/15C.html
Fabry-Perot
雙層結構間多次反射所形成的干涉現象。
模擬軟體：
http://www.physics.uq.edu.au/people/mcintyre/applets/optics/fabry.html
蝴蝶到底是怎麼做到的？
科學家利用電子顯微鏡解開了這個謎。原來構成蝶翼的
鱗片表面有許多類似樹枝狀的奈米結構，其細枝之間的距離約在
70~100奈米。因此對光線而言，看到的是兩種物質，也就是空氣
和蛋白質組成的結構。因為空氣和蛋白質的折射率不同，再加上
這些結構是有些規則但又不是很規則，可見光照射後就產生了多
彩的型態。不同的結構組合可以造成不同的顏色及圖案，讓我們
有機會欣賞到千百種不同的美麗蝴蝶。事實上，孔雀五彩斑斕的
羽毛也是類似的原理，不過它利用的是羽毛表面角質下的蛋白質
形成「棒狀構件」，靠著堆積的疏密、間距的大小造成折射率的
差別來產生。
小而大的自然構成
自然界的生物透過由小做大（bottom up）自組裝
奈米結構，這種做法正是奈米科技未來發展的主流。它就像
是堆積木，以分子為構件，在一些物理原理的指引下，堆出
多樣性的構造，從而展現出與構件本身特性顯著不同、卻與
其集合體構造密切關連的功能特性。舉例來說，蝴蝶翅膀或
孔雀羽毛的各種顏色，並非有各種各樣的染料在其表面，而
是因為特殊的構造藉著微小構件間彼此折射率的不同，和一
些規則性所帶來的集體效應，就材料組成而言，這些不過是
蛋白質，本身其實是無色的。
大自然神奇之處在於，它不只是利用元素或分子的
本質特性、個體功能而已，更重要的是能以原子、分子，甚
或奈米點、線為構件，因此產生全新的特性或功能。
這次的演講
要感謝我的研究生群
特別是　鍾明宏
沒有他　演講就不會成功
承蒙　台大農化系　陳建德教授
提供專業諮詢
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