生活中无所不在的荧光，那么荧光是怎么来的？什么是荧光？

　　在演唱会的夜晚，每个人拿到了荧光棒，折一下就可以在黑暗中发出亮光。在挥荧光棒的时候，不晓得有没有人会想，荧光是怎么来的？所有光都是荧光吗？太阳所发出来的光可以说是荧光吗？萤火虫发出的光，算是荧光吗？
　　荧光棒 什么是荧光？
　　能量守恒是自然界的基本道理，光本身也是能量的一种，放出荧光也是来自于能量的转换。人类可以看到的光波长约400~700奈米左右，每个波长或频率的光（电磁波）可对应到量子的光能量或光子能量──hν，h是普朗克常数（Planckconstant）、ν是电磁波频率。科学家常使用电子伏特（eV）来表示光的能量单位，1eV相当于带电量为1.6×10-19库仑的一个电子经过1伏特电位差加速后，所获得的动能（1.6×10-19焦耳）。紫光（400纳米）的光子能量约为3.1电子伏特左右，而红光（700纳米）的光子能量约为1.8电子伏特。
　　物质是由原子所组成，元素周期表整理出每个元素所拥有的电子数目，根据包立不兼容原理，电子可从最低能量的轨道或能阶往上填。我们所熟悉的物质，大部分并非单一原子，而是由数种原子所组成的分子或周期性排列成晶体。原子相互靠近会形成不同能阶、甚至能带，这是每个原子间电子相互作用所造成的。基态（groundstate）指的是所有电子在最低能阶的状态，其他有额外能量的状态则泛称＂电子的激发态＂。当电子受到额外能量到激发态时，电子以放光的方式释放能量回到基态，由此方式所放出的光，可广义称为＂荧光＂。在激发态的电子不一定要以放光的方式释放能量，也可以转成热，譬如传递动能造成原子扰动而温度上升。如下图所示，很多时候是光与热都有，电子在激发态时，部分能量先以热的方式释放，之后才放出光，而放出的光子能量为能阶之间的能量差。
　　科学上的荧光定义
　　科学上会以电子在激发态停留的时间，来区分荧光（fluo-rescence）与磷光（phosphorescence）。一般来说，产生荧光的电子，在激发态停留的时间约为几个纳秒（10-9秒）等级，如果电子停留了微秒以上，那么就会以磷光称之。譬如夜明珠在白天吸收了光能量之后，电子在激发态的时间是以分钟来计算的，黑夜中我们就可看到夜明珠慢慢释放电子到基态所产生磷光。手表也常用磷光材料帮助我们在黑暗中看时间，如果用的是荧光材料，只要没有照光，所有电子在1微秒内释放能量放出荧光，以致我们看不到亮光。科学或学术中所指的荧光，大部分以光让电子到激发态再放出荧光，称＂光致荧光（luminescence）＂材料吸收较高能量的光，譬如蓝光（2.8电子伏特）使电子跃迁到激发态后，电子经过能量损耗放出较低能量的光，譬如绿光（2.4电子伏特）。
　　除了光，还有其他方式可让电子到激发态。譬如荧光棒内外管装双氧水与酯类化合物及荧光染料，当管壁经过折弯而破裂，化合物间的化学反应会持续激发染料中的电子到激发态而放光，称＂化学发光（chemiluminescence）＂。LED用电流的方式将电子注入发光材料中所放的荧光，称＂电致荧光（electroluminescence）＂。若是在真空中直接把电子发射到材料里而发出荧光，称＂阴极荧光（cathodoluminescence）＂。萤火虫放的光称为生物荧光，其实也算是化学荧光。荧光材料在吸收能量后，大部分能量可透过光的形式再放出，因此温度不会上升太多，又被称为冷光。科学上有时会用＂发光（luminescence）＂避免讨论发光机制。
　　散发磷光的鸟形装饰 荧光的应用
　　日常生活中泛称的荧光，指的是可见光。譬如LED就是利用发光材料放荧光，属于＂电致荧光＂。LED常见在生活应用中，蓝光LED更是获得2014年诺贝尔物理奖表彰，使LED可应用在白光照明。目前市面上的LED白光灯泡，利用蓝光LED激发荧光粉中的电子，光致荧光而产生黄光，并与原有的蓝光混合成白光。市面上的日光灯管、省电灯泡等，通过电视管壁内的水银蒸气放出高光子能量的紫外线，管壁内侧的磷质荧光物质吸收紫外线后可发出可见光，也是利用光致荧光的方式产生白光。
　　LED液晶屏幕
　　荧光棒也大量应用在娱乐用途，人类很容易被漂亮且五彩缤纷的光所吸引，譬如人们喜欢在节日用不同颜色的灯泡串起来装饰。电脑、电视、手机、平板等屏幕，也可属于娱乐范围。早期的镜像管电视（CRTTV）及大尺寸等离子电视，在真空中发射电子直接打到不同发光材料，利用＂阴极荧光＂混出不同颜色。目前的液晶屏幕内的液晶本身不发光，而是用来控制透光强弱，因此需要白光的背光板搭配红、绿、蓝滤镜混色。市面上所谓LED液晶屏幕，是指背光板用LED白光光源，并非直接用不同颜色的三种LED所组成。OLED屏幕可直接利用发不同颜色光的材料做成LED来混色，OLED中的O指的是有机（organic），即利用有机发光材料所做成的LED（lightemittingdiode，发光二极管）。市面上也开始推出量子点屏幕，利用无机材料LED的蓝光透过＂光致荧光＂激发不同量子点而发出不同颜色的光。
　　荧光棒发光机制为＂化学发光＂
　　光也可以作为＂信号＂，譬如古代的烽火台利用火传递敌人来袭的信号。现今当然不需要举火把来传递信号，譬如电脑、电器产品有很多＂指示灯＂，通电源时发绿灯，没电的时候用红色灯号指示灯等，广义来说，屏幕也可以当作智慧型的＂指示＂。介绍到这里，大概可以感觉到LED所发出的＂电致荧光＂是多么广泛应用在生活周围！生活中当然还有很多＂光致荧光＂的应用，譬如有害的荧光物质残留，只要用紫光照一下，便知是否有荧光物质。白色的衣物及纸张为了视觉效果，常会添加这类无毒的荧光剂，其吸收紫外光而放出蓝光，可在阳光下提高视觉上的白度及亮度，这类的荧光物质对人体并没有伤害。
　　科学研究中很常利用荧光物质来标定不发光物质。譬如很多细胞不发光，＂荧光显微术＂荧光分子接到生物细胞中某些分子，在雷射光照射下，荧光分子可显示出某细胞分子的位置。因此为了生物用途，发展出许多＂荧光＂率高的染料分子。荧光显微镜技术中，还可用不同颜色的染料标定，同时观察不同颜色来区分不同细胞分子。一般来说，当细胞被染色后就失去生命力，只能观察死细胞的行为。2008年诺贝尔化学奖表彰绿色荧光蛋白质（greenuorescentprotein，GFP）的发现，科学家也进一步发展出不同颜色荧光的蛋白质。发光蛋白质之所以重要，在于它可以让细胞发光而不失去生命力。许多生命的奥妙，并非可以从＂体＂构观察出来，而需观察其生命的动态。让活体细胞会发荧光因此是很重要的贡献，使生命科学家可利用荧光显微镜研究活细胞。
　　利用荧光显微镜技术观察牛肺动脉内皮细胞 未来方向
　　人类的双眼是最直接且自然的侦测器，可判别颜色及位置，不需额外的侦测器能增添生活便利。虽然＂致荧光＂乎应用较广，但＂致荧光＂实更方便，因为不需要用电线等额外物质接触物体，即可发光。譬如笔者最近听到一个技术，利用荧光蛋白将特殊细菌改造成会发光。这些细菌可在土壤里往地雷移动并留下生存，因此阳光下或照光下会发出光芒，人类因此可以在远距下发现地雷的存在，这也算是＂信号＂一种。也许读者也可以从＂信号＂度想想，如何让荧光物质有新应用。