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通常原子的最外層價電子都處於最低能量的分佈狀態，稱為原子的基態。若是沒有外界的干擾，這些價電子將維持於基態的分佈情形。當有外界影響的機制將能量傳遞 ...
國立彰化師範大學
光電子學期末報告
報告者：劉志榮 8920217
2000/12/20
題 目：中學光電簡介
目錄
壹、報告動機
一、光電產業的蓬勃發展
二、光電產業的技術人員之培育
三、運用單科統整課程型態來設計光電教材
貳、中學基礎之光電簡介
一、中學生光電基礎
二、光電統整知識
1.
光是粒子還是波？
2.
光和電子
3.
白光與雷射光
參、結語
肆、參考文獻
壹、報告動機
一、光電產業的蓬勃發展
近年來，由於光電產品的市場價值高、發展潛力大，無論工商業界、學術界以及研究單位皆投入相當大的資本與人力。比如說：在個人電腦、通訊網路等各類電子產品需求增加，以及行動通訊、彩色影像資訊、交通號誌、能源節約、醫療雷射等新興需求帶動下，全球光電材料與原件市場持續成長（張郁妮、郭豔光，1999）。由此可知光電產業正蓬勃發展，是個極具潛力的產業，在國內經濟上佔有一席之地，因此，我們的下一代應該對此產業有所瞭解。
二、光電產業的技術人員之培育
報告者去年由彰化師大物理系畢業，雖然知道光電為目前國內科技寵兒，但是在大學階段卻未曾修過光電子學。但是在郭教授的帶領入門之後，驚覺光電子學為各種理論之結合，一些簡單的觀念在國中與高中課本中亦曾提及。回想國中與高中的學習過程，課本雖然有提及，但是卻總是匆匆帶過，從沒老師能簡單且清楚的告訴我們「光電」是什麼？光電理論應用於哪些地方？各種科技產品的光電理論基礎是什麼？而張郁妮、郭豔光在「光電半導體發展近況」文章中提及，在公元2002年以後，如何提升我國在雷射二極體的研發能力與產能，對國內各研究單位與廠商而言將會是一大考驗。在未來發展上，業務擴展方面將需要市場行銷人才與產品應用工程師等技術人員，另一方面產品開發與測試的重要性也與日俱增。從教育的角度而言，這些專業人員需要扎實的培育過程，應該要將光電知識向下紮根，使中學生能建立正確的光電知識，進而當作以後往光電產業發展的基礎。
三、運用單科統整課程型態來設計光電教材
一九九八年九月三十日教育部公布「國民教育階段九年一貫課程總綱」，而「課程統整」是此次九年一貫新課程政策中最為直接被彰顯的教育理念。而由課程統整普遍運作原則觀點來看，課程統整的一貫精神就是「在連結中建立新連結、完整的連結、並追求不斷更新」。而單科統整課程是指將單一科目中單元與單元或概念與概念之間加以連結，說明其關係、異同或相互影響，其目的在減少教材中單元或概念之間連結不足的分化現象，使此一科目所呈現的知識更具系統性與意義，並得以相互呼應（黃譯瑩，1999）。以國中理化科為例，第11章內容為「電」，緊接著介紹了「磁」的概念，而第12章「電流與磁」即為電與磁之連結，說明電與磁的關係與相互影響。但是對於第四章「光」與第11章「電」卻有連結不足的現象，也就是說「光電」概念在中學階段是尚未統整的課程，因此本報告企圖以中學生科學基礎將光電概念作適當之連結。
貳、中學基礎之光電簡介
在思考如何介紹「光電」概念給中學生學生之前，我們必須先釐清兩個問題：
1.目前中學生所接受的理化與物理教育中，所包含的光電基礎為何？
2.如何將中學生零碎的光電知識統整起來？
一、
中學生光電基礎
中學生是指國中與高中生，其所受的光電相關教育主要為國中理化與高中物理，我將目前國中與高中物理的目次簡介如下：
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國中理化目次
第0章 緒論
第1章 水
第2章 空氣
第3章 聲音
第4章 光
第5章 溫度與熱
第6章 力
第7章 物質的變化
第8章 進入原子的世界
第9章 化學反應
第10章 常見的有機化合物
第11章 電
第12章 電流與磁
第13章 電解質
第14章 電與生活
第15章 直線運動
第16章 力與運動
第17章 物質與能的世界
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高中物理目次
第1章 時間與空間
第2章 運動學
第3章 靜力平衡
第4章 質量與牛頓運動定律
第5章 動量守恆定律，衝量
第6章 牛頓萬有引力
第7章 功、動能、位能
第8章 轉動
第9章 流體力學
第10章 熱現象與熱能
第11章 分子運動論
第12章 幾何光學—光之反射
第13章 幾何光學—光之折射
第14章 波動
第15章 物理光學
第16章 靜電與靜磁
第17章 電流
第18章 電流的磁效應
第19章 電磁感應
第20章 近代物理的基本發現
第21章 原子結構與物質波
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表一 國中理化與高中物理目次
由於本人曾擔任過國中理化教師，對於國中理化課較為熟悉，而且高中物理教材所介紹的內容與大學內容差異不大，因此我們將以國中階段為例，示範如何對國中學生做光電基礎概念之教學。首先，我們嘗試由國中理化目次簡介結構中看出學生接受了哪些光電相關概念，以及光電相關概念散佈的範圍：
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單元
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相關概念
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第3章聲音
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波、波長、頻率、波速、週期、共鳴
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第4章光
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直線傳播、光速、光的反射、光的折射、色散、光的三原色、雷射
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第8章進入原子的世界
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元素、週期表、原子、原子結構、電子
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第11章電
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電量、庫倫靜電力、導體、絕緣體、電壓、電流
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第17章物質與能的世界
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物質、能量、能的形式與轉換
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表二 國中學生光電相關概念
二、
光電統整知識
（資料來源：台灣師大物理系物理教學示範實驗教室網站）
1.
光是粒子還是波？
光是我們獲取自然界知識的主要工具。因此光的本質成為科學史上爭論最久的議題之一。
粒子說
在十七世紀時，迪卡兒與牛頓認為光是一顆顆流動的粒子，從光源（如太陽處）快速的飛向地球。當光粒子進入眼中時便刺激眼球形成視覺。光束便是一連串行進中的粒子。由於牛頓在力學等其他方面的卓越貢獻，使得『粒子說』興盛近一世紀之久。
（光線光學：光的直進性、幾何光學、反射、透鏡成像…）
波動說
海更斯知道兩光束交錯時不會有影響，卻無法想像兩束流動的粒子交錯時如何能不至於互相碰撞，所以他認為光是一種波動。
介質的在空間中的相對運動，隨空間不同而有時間上的延遲便是波動。例如：一排啦啦隊要跳波浪舞，由第一個開始陸續上下擺動手臂，鄰近的人也跟著擺動但在時間上稍有延遲，依此類推便形成好看的波形。
人們早期所認識的波動，不論是聲波或水波，都有介質作為傳播的媒介。聲波可以經由空氣、液體或固體傳播，但無法穿越真空。 所以地球上所聽到的聲音都源自地球本身。於是很自然的認為波動都需要介質傳播。
要不然沒有『東西』擺動的『波』不是很奇怪嗎？（波以耳實驗證明聲音需要空氣當作介質）直到1803年楊氏(Thomas
Young)的干涉實驗才真正推翻了『粒子說』崇高的地位。光的干涉現象是波動說的最有利證據。
可是太陽的光線卻可以穿過太空中的真空區域而傳達到地球上。 此時可以採取的一種作法是接受光是一種在稱為『以太』的介質中的擾動。於是『科學家』創造了一個新的『怪物』—以太。它無所不在，在真空中『以太』的運動使的光得以前進。可是卻不會影響星球或你我的運動，他幾乎不和物質作用，否則地球或其他星球在龐大的『以太海』中運動，豈不是會逐漸慢下來。當時認為以太只是尚未被偵測到而已。這樣的想法又持續了將近百年。
直到1887年 Albert A. Michelson 和 Edward W.
Moley構想出測出以太和地球相對速度的實驗，可是以當時精密的測量技術卻怎麼量就是量不出來。最後只好承認實驗的失敗。科學家終於覺醒了，推翻了當初所『構想』出來的怪物，原本失敗的實驗卻是承認以太實際上並不存在的證明。於是科學家也只好接受『光』是一種特殊的『波』，
一種不需要介質便能傳播的『波』，至少這樣的想法比起『以太』的模式簡單的多。
光電效應
電子在金屬內部可以很自由的游動，但是卻無法自由的跑出金屬外部，猶如被限制在圍牆內的自由彈跳的球，由於能量不夠大跳不過高高的圍牆。但是若拿個物品狠狠『K』它一下，便有機會讓電子（球）跳出金屬（圍牆）外。
於是有人想用光去照射金屬表面，觀看金屬內電子被照射後的行為。在高頻的光線照射下電子比較容易被擊出金屬表面，可是當光的頻率低於某特定值時，卻是照多久電子都是跑不出來，可是只要是頻率夠高 即使很微弱的光照射 也會有電子跑出來。
而且當光照射到金屬表面時，便有電子馬上跳出來，不需時間的延遲。而且以頻率越高的光照射，跳出來電子的動能也越大， 且動能和頻率間呈現線性關係。（不同金屬有不同的臨界頻率，對應於使電子逃脫金屬表面的最低能量）
光若是波動，不管高頻與低頻都攜帶能量，雖然低頻的能量較低。但是照射時間越長應該可以提供的能量就越多，為何低頻的光照時 完全跳不出電子呢？ 且微弱的高頻光為何一照射電子便即刻跳出來呢？不需要慢慢累積能量。
最後只好假想是『光子』，每一個光子所攜帶的能量和其頻率成正比。當光子照射到金屬表面時，高頻的光子具有較高的能量，當光子和電子作用時，光子將能量完全轉移給電子，而使得電子獲得足夠能量，馬上可以掙脫金屬。可是低頻的光子能量不足以使得電子逃脫金屬表面，即使照射大量低頻的強光也沒有用。只要頻率夠高，光子的能量夠大即使很微弱的高頻光子，也能即刻將電子轟出金屬表面。扣掉電子掙脫表面所失去的能量便是電子剩下的動能。
光的波動與粒子二像性
現在我們說『光』的行為像是一種『波動』，為什麼不直接說光是波呢？因為後來又有『光電效應』等實驗，不得不以粒子（光子）的觀點來解釋，愛因斯坦便是因為對『光電效應』的解釋而獲得1922年的諾貝爾物理獎的（可不是因為什麼相對論的貢獻）。
但是『光子』的頻率又是什麼意思呢？光子看似『粒子』，可是『頻率』是『波』的屬性。到底光是粒子還是波呢？似乎越弄越迷糊！
干涉現象必須以波動說解釋，光電效應有非得粒子說的詮釋不可。我們最後只好說，光有雙重性格，有時候呈現波動性，有時候呈現粒子性。還好同一實驗中不會同時呈現兩種性質。當實驗的設計想觀察其粒子性時，便看到其『粒子』性的一面，反之則可觀看其『波動』的特性。光到底是波還是粒子的爭論，終於在『雙贏』的局面畫下暫時的句點。
2.光和電子
物質是由原子所組成的。而物質的化學性質及光性質絕大多數決定於被原子所侷限的最外層電子。通常原子的最外層價電子都處於最低能量的分佈狀態，稱為原子的基態。若是沒有外界的干擾，這些價電子將維持於基態的分佈情形。當有外界影響的機制將能量傳遞給價電子時，例如：帶電粒子或光子的碰撞，將使得原子的最外層價電子的有新的分佈（也會有較高的能量狀態），這些比基態能量高的所有可能的分佈狀態，稱為價電子的激發態。
一般的情況下，物質內原子的價電子幾乎都處於基態的狀況下，當加入電壓，由於電子流與價電子間的碰撞，使得越來越多的價電子有機會被激發到『激發態』。當電子處於激發態時會很快的(約10-9-10-8秒的時間內)回復到較低的能態，在發生能態變化的過程中便會釋放出『光』，而這些『光』的能量便是上述兩不同能態間的能量差。同樣的外界所提供的能量也必須恰好等於兩能態間的能量，才有可能使得外層的價電子發生能態轉變。也有可能將能量藉由原子間的碰撞轉換為原子間的動能。（例如照射光後物質表面越來越熱）
不同的原子其最外層價電子可能存在的激發態並不相同，也因此不同原子的價電子也就能吸收或輻射特定頻率的電磁波（或光子）。除了太陽光外，平常我們看到的各種『光』，例如：氣體放電、閃電、火焰或物質高溫時發光，甚至看到物質所呈現的顏色，都是原子的價電子發生能量狀態改變（能階躍遷）時所產生的。（光照射到物質表面直接反射或被吸收後輻射出特定的色光抵達我們眼睛）
3.電磁波頻譜
人們將電磁波依照使用的特性給予不同的波段名稱：
1.依照頻率由低往高主要有：無線電波、微波、紅外線、可見光、紫外線、X射線與γ射線。
2.發現的順序則是：可見光、紅外線(1800)、紫外線(1801)、無線電波(1888)、X射線(1895)、γ射線(1900)，最後於 1930年產生微波。
可見光
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顏色
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頻率範圍(THz)
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真空中波長(nm)
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紅
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384-482
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622-780
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橘
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482-503
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597-622
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黃
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503-520
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577-597
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綠
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520-610
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492-577
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藍
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610-659
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455-492
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紫
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659-769
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390-455
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表三 可見光頻譜
可見光通常指波長從 780nm 到 390nm 的電磁波。人眼睛可看見的範圍可廣至 312nm - 1050
nm。只是『能見度』越來越差而已，且過度的照射容易對眼睛造成傷害（人耳可聽見的頻率為20～2萬Hz，超聲波為超過人耳接收頻率範圍的聲波）。人眼對於『白光』的感覺應該是源自於對於太陽光的感受。只要光線含有與太陽光類似比例的不同頻率光線，便都會產生『白光』的感覺。人眼睛並無法區分由不同頻率分佈所形成的同一色光（耳朵則可以分辨不同音色）。因此並不存在單獨頻率的『白光』。
例如：
1.656nm的紅光
+ 492nm的青綠色光加起來被可有『白光』的感覺。
2.單獨508THz的光感覺是黃光，可是 507THz+ 509THz合起來的光對於人眼睛感受會相同。（除非以光學儀器否則人眼分不出是否看到單頻的光線）。
3.光的三原色：紅、綠、藍，以不同比例混合，可呈現不同的顏色。
3.白光與雷射光
（1）什麼是"白光 "?
由太陽或燈泡發出的光線實際上包含了各種不同的顏色，猶如彩虹一般，但是你必須先將不同顏色的光分開才看得見
（2）光線能夠被分開?
藉由稜鏡我們就可以將"白光"分開成為不同光束。(天空的小水滴的功能就如同小稜鏡一般將光線散開形成天空美麗的彩虹,CD光碟片也由於內部有很細的條紋形成一種光柵，使得光線散開而看到彩色圖樣)
色散現象：白光經三稜鏡折射後，產生分開成為不同顏色光束的現象。
圖一 白光經玻璃稜鏡折射圖
（3）那"雷射" 又是啥東西呢?
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雷射是一種只有包含單一顏色（波長）的光源，你無法將雷射分成數種顏色光。（雷射經經三稜鏡折射後不產生色散現象）
圖二 雷射光經玻璃稜鏡折射圖
（4）雷射 有什麼好 "酷" 的呢?
△聚焦（縮小）：雷射（Lasers）可以經由透鏡縮成非常細小的範圍而且能夠前進很長距離卻不會太過發散，(一般手電筒光線很快就散開，強度也就變弱了！)
△高能量：雷射光可在很小的範圍內卻含有相當多的能量（能量集中的特性），強度甚至能夠穿透很厚的金屬，可用來切割金屬。小功率（較少能量）的雷射可被用作為手術刀。
△資訊：低功率雷射系統也可以用來傳輸或接收資訊，例如, 超市中結帳時 所用來掃瞄物品代號的掃瞄裝置（包含雷射、透鏡、轉動的鏡片和電腦組合讀出物品的代碼）；在CD雷射光碟機中微小的雷射，藉由光碟片上如摩斯密碼般的凹凸條紋讀取記錄的音樂資訊。
△通訊：雷射光可以藉由一種特殊材料（光纖）將資訊傳送至遠方。同一條光纖內可同時用雷射傳送數千個電話通訊消息。
△立體攝影術：雷射光可以用來儲存與顯示3度空間立體的影像圖案， 稱為「立體攝影術」(工程師仍然努力研發可以儲存動態影像的立體影像，有一天我們將可以有驚奇的立體動態照片)
參、結語
1.感想：雖然課程統整內容大部分來自於「台灣師大物理系物理教學示範實驗教室網站」資料，再經筆者編選擷取。不過，題目乃筆者原創性之想法，看著自己的作品得以完成，內心不免雀躍不已！！回想原訂題目之動機，統整內容中盡量使用中學生能理解的概念解釋，並加入中學理化中既有的觀念，希望中學生能建立對光電的一般認識，更加確定光電相關概念確實是能向下扎根的。不禁為自己未能及早建立光電相關概念感到遺憾，希望九年一貫課程實施後，能有更多教師發揮其創意，能將科學重要概念向下扎根。
2.建議與改進：設計統整課程本非容易之事，應由多人教師協同合作。加上筆者並非光電背景出身，內容恐有遺漏之處，又因時間緊迫，教學內容中未能有明確教學活動與教案設計，實乃最大敗筆！！不過此份報告還是能提供有志於建立單科統整教師作為參考，依照整個科學發展的過程來介紹其概念，能讓學生具有完整之概念，最好能配合實物或實驗操作，讓學生能有更加具體之概念！
肆、參考文獻
張郁妮、郭艷光（1999）光電半導體發展近況，p1-4。
黃譯瑩（1999）九年一貫課程與課程統整：理論與實務，p2-4。
國立編譯館（1999）國民中學理化教科書，1-4冊
國立編譯館（1999）國民中學理化教師手冊，1-4冊
國立編譯館（1999）國民中學選修理化教科書，1-4冊
國立編譯館（1999）國民中學選修理化教師手冊，1-4冊
台灣師大物理系物理教學示範實驗教室網站http://www.phy.ntnu.edu.tw/class/demolab/indexTree.html
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