歡迎！讓我們一起探索電磁波譜
各位科學探索家，你好！你有沒有想過，為什麼收音機可以接收到音樂？為什麼微波爐能加熱食物？又或者，為什麼你能看見彩虹那美麗的色彩呢？答案就在電磁波譜裡！聽起來好像很複雜，但別擔心，我們會一起逐步拆解它。
在這份筆記中，你會學到各種圍繞著我們的隱形波浪，從傳送你喜愛電視節目的波浪，到醫院裡使用的波浪。你可以把它想像成一個龐大的能量波家族，而我們現在就要來認識這個家族的所有成員了！
課程備註：電磁波譜屬2025年課程的延展部分（2017年課程屬核心部分）。在2017年課程中，光的三原色和有色物體在不同色光下的顏色屬延展部分；2025年課程沒有列出光的三原色。
第一部分：我們能看見的光——可見光譜
什麼是可見光譜？
我們的眼睛能看見的光，只是整個電磁（EM）波譜中非常非常微小的一部分。想像一下，如果整個電磁波譜是一個巨型披薩，那麼可見光譜就只是其中一小片披薩！這是我們唯一能看見的那一片。
這「一小片」包含了彩虹的所有顏色。有一個很棒的方法可以記住這些顏色的順序：
R O Y G. B I V
- Red（紅）
- Orange（橙）
- Yellow（黃）
- Green（綠）
- Blue（藍）
- Indigo（靛）
- Violet（紫）
顏色與波長
每種光線的顏色都是一種波，有點像你玩跳繩時製造的波浪。從一個波的頂部到下一個波的頂部之間的距離，就叫做它的波長。
不同的顏色有不同的波長：
- 紅光的波長較長（像懶洋洋、伸展得很長的波浪）。
- 紫光的波長較短（像快速、擠在一起的波浪）。
所有其他顏色都介乎於兩者之間！波長上的差異，就是我們的眼睛分辨顏色的方式。
不同顏色的光亦有不同的頻率。波的頻率是指每秒通過某一點的完整波的數目，單位是赫茲 (Hz)。在所有可見光的顏色中，紅光的頻率最低（約 \(4 \times 10^{14}\) Hz），紫光的頻率最高（約 \(7.5 \times 10^{14}\) Hz）。所以，波長較長的光頻率較低，波長較短的光頻率較高。
光的三原色
當我們談論光的時候，光的三原色與你在美術課學到的顏料三原色不同。光的三原色是：
紅、綠、藍 (RGB)
你可以混合這三種顏色的光來製造所有其他顏色，甚至連白色也能造出來了。這叫做加色混合。
- 紅光 + 綠光 = 黃光
- 綠光 + 藍光 = 青光
- 藍光 + 紅光 = 洋紅光
- 紅光 + 綠光 + 藍光 = 白光
小提示：別混淆了！
光的三原色（紅、綠、藍）與顏料的三原色（通常是紅、黃、藍，或是青、洋紅、黃）是不同的。光線是通過顏色疊加來使東西變得更亮，而顏料則是吸收顏色來使東西變得更暗。這是一個常見的錯誤，所以務必記住這一點！
我們如何看見顏色
你有沒有想過，為什麼香蕉看起來是黃色的？這完全取決於物體反射和吸收了哪些顏色的光線。
其運作原理如下：
- 白光（例如太陽光，它包含所有顏色）照射到一個物體上。
- 物體的表面會吸收一些顏色。
- 表面會反射其他的顏色。
- 被反射出來的顏色，就是我們所看到的顏色！
例子一：白光下的紅蘋果
當白光照射到一個紅蘋果上時，蘋果的表皮會吸收光譜中除了紅色以外的所有顏色。它把紅光反射回我們的眼睛，所以我們看見蘋果是紅色的。
例子二：藍光下的紅蘋果
如果你只用藍光照射紅蘋果，蘋果會試圖吸收藍光。由於沒有紅光可以反射，所以幾乎沒有光線被反射出來。蘋果就會看起來非常暗，幾乎是黑色！
例子三：白色和黑色的物體
白色物體會反射所有顏色的光，所以看起來是白色的。黑色物體會吸收照射到它的幾乎所有光，幾乎不反射任何光，所以看起來是黑色的。
用科學的說法：每種顏色都有自己的波長，所以物件會吸收某些波長的光，並反射其他波長的光。例如，綠葉主要反射綠色波長的光，並吸收大部分紅光和藍光。這個概念同樣適用於看不見的波：防曬霜會吸收或反射紫外光，令到達皮膚的紫外光減少。
第一部分重點摘要
我們能看見的光稱為可見光譜（紅橙黃綠藍靛紫）。每種顏色都有不同的波長。光的三原色是紅、綠、藍 (RGB)，它們可以混合形成其他顏色。我們看到的物體顏色，取決於它反射出來的光線顏色。
第二部分：彩虹之外——不可見光譜
一個龐大的波浪家族
可見光只是龐大的電磁波譜家族中的一個成員。這些波浪都圍繞著我們，但我們卻看不見它們。它們按照波長從長到短的順序排列。
這裡有一個簡單的方法可以記住它們的順序：
Raging Martians Invaded Venus Using X-ray Guns
這代表：
無線電波（Radio waves）→ 微波（Microwaves）→ 紅外線（Infrared）→ 可見光（Visible Light）→ 紫外光（Ultraviolet）→ X射線（X-rays）→ 伽馬射線（Gamma rays）
讓我們來認識這個隱形家族的每一位成員。
認識電磁波譜家族的成員
無線電波
它們是電磁波譜中波長最長的波。
應用：用於電台廣播、電視訊號和遙控玩具。
潛在危險：在我們日常使用的水平下，通常認為是安全的。
微波
比無線電波短，但仍然相當長。
應用：在微波爐中加熱食物、手提電話通訊和Wi-Fi訊號。
潛在危險：高水平的微波可以加熱身體組織。這就是為什麼微波爐的門上會有金屬網，以將微波阻擋在內部。
紅外線 (IR)
我們感到紅外線波浪就是熱量。
應用：電視遙控器、熱像儀（用來探測熱量）、夜視鏡和暖爐。
潛在危險：過多的紅外線輻射會導致皮膚灼傷（想想看，靠近火堆會怎樣）。
紫外光 (UV)
這些波浪就在我們能看見的紫光之外。太陽是紫外光的主要來源。
應用：消毒醫療設備、檢測偽鈔和用於日光浴床（助曬）。
潛在危險：會導致曬傷、損害眼睛和皮膚癌。這就是為什麼塗抹防曬霜和佩戴太陽眼鏡如此重要！
X射線
波長非常短且能量高的波。
應用：醫院裡用來拍攝骨骼的影像，以及機場裡用來掃描行李。
潛在危險：會損害活細胞。這就是為什麼操作X光機的人員（放射技師）通常會離開房間，或者穿戴保護性的鉛圍裙。
伽馬射線
它們是整個光譜中波長最短、能量最高的波。
應用：在醫學上用於殺死癌細胞（放射治療）和消毒手術器械。
潛在危險：對生物極其危險，並可能導致癌症。它們只能由受過專業訓練的人員在非常受控且安全的環境中使用。
你知道嗎？
有些動物能看見我們看不見的電磁波譜部分！蜜蜂能看見紫外光，這有助牠們在花朵中尋找花蜜。一些蛇能「看見」紅外線輻射，這有助牠們在黑暗中捕食溫血動物。
安全第一：潛在危害、風險和安全措施
危害是指可能造成傷害的東西。風險是指傷害發生的可能性有多大，以及後果有多嚴重。電磁輻射的風險取決於：
- 波的種類：頻率高的波（紫外光、X射線和伽馬射線）帶有較多能量，會損害細胞，所以最危險。
- 輻射源有多強：輻射源愈強，接收的劑量愈大。
- 暴露時間有多長：時間愈長，風險愈高。
- 距離有多近：離輻射源愈遠，輻射愈弱。
我們可以用一些簡單的安全措施來減低風險：
- 屏蔽：微波爐門上的金屬網；X光室的鉛圍裙和含鉛的牆壁。
- 保護皮膚和眼睛：在陽光猛烈的日子塗防曬霜、戴帽和戴能阻隔紫外光的太陽眼鏡，並留意天氣報告中的紫外線指數。切勿直視太陽。
- 限制時間和保持距離：醫生只在有需要時才照X光；使用X射線或伽馬射線的工作人員會佩戴輻射劑量計，量度自己接收了多少輻射。
- 遵守安全守則：不要使用門已損壞的微波爐，並按照指示使用各種儀器。
想想風險：沒有任何活動是完全沒有風險的，所以科學家會衡量風險和好處。在日常使用的水平下，使用手提電話或Wi-Fi的風險非常低。照X光有少許風險，但通常遠比找出骨折的好處小。
第二部分重點摘要
電磁波譜的不可見部分包括無線電波、微波、紅外線、紫外光、X射線和伽馬射線。它們在我們的日常生活中都有重要的用途，從通訊到醫療。然而，其中一些（特別是波長較短的，如紫外光、X射線和伽馬射線）可能有害，所以我們需要謹慎使用它們。
第三部分：光速和波動方程
光走得有多快？
光是宇宙中最快的東西！在真空（完全空無一物的空間）中，光的速率約為 \(3 \times 10^8\) m/s，即每秒 300 000 000 米，快得可以在一秒內環繞地球超過 7 圈！
電磁波譜家族的所有成員，由無線電波到伽馬射線，在真空中都以這個相同的速率傳播。
光在不同介質中以不同速度進行
光在不同介質（光所穿過的物質）中的速度不同。光進入水或玻璃時會減慢：
- 真空：約 \(3.0 \times 10^8\) m/s
- 空氣：只比真空中慢一點點（我們通常用 \(3 \times 10^8\) m/s）
- 水：約 \(2.25 \times 10^8\) m/s
- 玻璃：約 \(2.0 \times 10^8\) m/s
光的速度改變，就是光從一種介質進入另一種介質時會彎曲的原因。你可以在「折射」一章學習更多。
波動方程
波的速率、頻率和波長可以用一條簡單的公式連繫起來，叫做波動方程：
\( v = f \lambda \)
其中：
- \( v \) 是波的速率（單位：m/s）
- \( f \) 是頻率（單位：Hz）
- \( \lambda \)（希臘字母「lambda」）是波長（單位：m）
你可以把公式重新排列來求其他數值：\( f = \frac{v}{\lambda} \) 和 \( \lambda = \frac{v}{f} \)。電磁波在真空或空氣中傳播時，使用 \( v = 3 \times 10^8 \) m/s。
例題一：FM 電台
一個 FM 電台廣播的無線電波頻率為 100 MHz（\(1 \times 10^8\) Hz）。這些無線電波的波長是多少？
\( \lambda = \frac{v}{f} = \frac{3 \times 10^8}{1 \times 10^8} = 3 \text{ m} \)
每個無線電波的波長約 3 米，比課室的門還要高！
例題二：紅光
紅光的波長約為 \(7 \times 10^{-7}\) m。它的頻率是多少？
\( f = \frac{v}{\lambda} = \frac{3 \times 10^8}{7 \times 10^{-7}} \approx 4.3 \times 10^{14} \text{ Hz} \)
即是每秒約有 430 萬億個波通過某一點！
小提示
光由空氣進入玻璃時，它的頻率保持不變（所以顏色不會改變）。由於速度減慢，根據 \( v = f \lambda \)，它的波長亦會變短。所以，各種顏色光的波長一般是指它們在空氣（或真空）中的波長。
第三部分重點摘要
光在真空中的速率為 \(3 \times 10^8\) m/s，在水和玻璃等介質中會較慢。運用波動方程 \( v = f \lambda \)，可以計算光和其他電磁波的速率、頻率或波長。
章節總結：快速回顧
做得好！你剛才探索了整個電磁波譜。它是我們世界中一個強大而有用的部分，每天都影響著我們。
重要詞彙
- 電磁波譜：從無線電波到伽馬射線，所有能量波的完整範圍。
- 可見光譜：人類能看見的電磁波譜中很小的一部分（紅橙黃綠藍靛紫）。
- 波長：波浪兩個波峰之間的距離。它決定波浪的類型和光的顏色。
- 光的三原色：紅、綠、藍 (RGB)。
- 吸收：吸收光線。
- 反射：將光線從表面反彈。
更多重點：頻率是每秒通過某一點的完整波的數目（單位：Hz）；在可見光中，紅光的頻率最低，紫光的頻率最高。光在真空中的速率為 \(3 \times 10^8\) m/s，在其他介質中較慢。波動方程是 \( v = f \lambda \)。
請保持好奇心，並繼續觀察你周圍的世界。你會發現它充滿了無處不在、令人驚嘆的隱形科學！