物理小知識

納米 (nano) 其實是毫微米 (nanometer ，符號是 nm) 的縮寫，它是長度單位之一。 1 納米 (1x10 -9 m) 相等於十億分之一米，是非常細小的長度。人類頭髮的直徑大約有 6 萬至 8 萬納米。而一納米的長度就大約等於十個氫原子並列一直線的長度。如果一件物件的大小是少於 100 納米，那麼這件材料就可叫作納米材料了。你可能會奇怪為什麼以 100 納米做界線而不是 1000 或 10 納米呢？

原因是如果一物料的大小是少於 100 納米時，其物理和化學性質都會有很大的變化。例如，納米物件的表面效應就擔任了很重要的角色。由此看來，將立方體分做越小的小立方體，那麼總表面面積與體積的比 (total surface area to volume ratio) 就會越大。所以如果我們有一堆總重量為 一克 的金粒，而每粒金粒的大小則小於 100 納米的話，那麼它們的表面面積就會顯得十分重要。

然而，我們知道物件表面 ( 相對物件內部 ) 是非常不穩定的，而且在化學反應中會最活躍。因此，增加表面面積即是大大地加快了該物質的化學反應、表面吸收的能力及催化能力。而且納米材料的熱特性、機械特性與及光學特性與體積大的物質的屬性相差甚遠。例如一片黃金的熔點大約是 1000 o C ，但若果是一粒大小只有 2 納米的黃金，它的熔點就降低至 330 o C 。還有，納米物質的吸光能力亦會顯著地加強。此外，當物件的尺碼小於 100 納米時，一種新的效應 ( 這種效應並不能用經典物理學解釋 ) 亦開始顯現出來。就因為在納米尺度下出現了這些變化，新一類的物質就產生了。

我們可以製造到粒狀、納米大小的物質嗎 ? 我們可以用砌積木的方法將分子或原子砌成新一類的物質嗎 ? 答案是對的。這種納米技術的而且確存在，而且正因為這種先進技術，納米科學才可行。可以一粒一粒地移動原子一向都是科學家的夢想。

諾貝爾得獎者理查‧費曼於 1959 年曾說過 : 「如果我們觀察原子的技術可以發展得完全，這技術就可以大大地幫助解決化學上及生物學上的問題，而這種科技的發展我想是不能避免的。」其實，現在利用掃描式穿隧電子顯微鏡 (STM) ，我們就可以處理原子。掃描式穿隧電子顯微鏡是一件可將物體表面的的物質放大至原子級的儀器，而它可以用來能移動原子，去創造多種有趣的原子結構 ( 見圖一 : 鎳上的氙 ) 。發明掃描式穿隧電子顯微鏡確實是有革命性的改變，而且它的確是研究納米技術的必需品，而發明這件儀器的人亦成為了 1986 年諾貝爾物理學獎得主。

除了對基礎科學有深厚的興趣外，另一個驅使我們研究納米科學的原因當然就是它的應用。 現在有很多人都相信 納米 科學可以帶來一個新的工業革命。簡略地說， 納米 技術已經應用在四個方面 : (1). 納米 電子學 : 擁有嶄新功能的電子儀器，它們擁有高速度及低能量消耗的優點 ; (2). 納米 材料科學 : 新的物料擁有新特質 - 可以完美地培植而不含有雜質及瑕疵，是製造 納米 儀器的理想材料 ; (3). 納米 生物學 : 包括去氧核糖核酸 (DNA) 和核糖核酸 (RNA) 的基因圖譜 ; (4). 納米 醫學 : 發明、設計及生產 納米 級的新藥物。

取材自：香港大學物理系 - 王健博士

生活在香港的我們，也許沒有機會看見極光。但對於居住在極北或極南地域的人們，極光是一場神秘的夜空之舞。閃爍的淺綠色光弦形狀在不斷地變化，就像輕柔的窗簾，被微風所牽動，婉延在寧靜而寒冷的夜空中。極光的光度會改變，當它最明亮的時候，多種顏色相繼出現，璀燦悅目。

極光到底是甚麼？

很久以前，人們以為極光只是太陽光被天上微小的冰塊反射而成的，但當科學家分析極光的光譜時，發現它與太陽的光譜並不相似，由此否定了這個說法。另一方面，極光的光譜卻和一些氣體在極高電壓下放電的光譜有不少相似之處。事實上，極光是地球大氣高層的氣體分子或原子受來自太陽的高能電子碰撞後發射的。簡單來說，分子或原子受電子碰撞後，會被激發至較高的能態，甚至被電離。當離子重新俘獲電子，輾轉回到基態的時候，便會被發射某些擁有特定波長的光波。

這個模型解釋了極光的顏色。來自太陽的紫外線把氧分子分解成原子，成為了大氣最高層 ( 電離層 ) 的主要成份。當氧原子受電子激發後，便會發出極光那主要的淺綠色光芒。能量較高的電子則可深入大氣層較低的地方，激發那裡的中性氮分子，發出粉紅色或紫紅色的光輝。電離的氮分子則發出紫藍色的光。這些次要的激發豐富了極光的顏色，為這道美麗的卷簾添上了悅目的花邊。

極光與太陽活動有關嗎？

有關。產生極光的高能電子來自太陽。太陽是一個熾熱的火球，在太陽的外層大氣裡，溫度可超越一百萬度。在這稱為日冕的大氣層裡，原子 ( 主要是氫 ) 因為高溫電離了，變成了一團充滿了自由離子 ( 主要是質子 ) 和電子，既高溫又非常稀薄的氣體。太陽日冕的爆發不斷把這些離子和電子拋射出太空，形成所謂太陽風。這些帶電粒子帶同太陽的磁場，走過了差不多兩天的路程才來到地球。電子遇上了地球的磁場後又會被俘虜，最後被牽引至地球南、北極附近，與大氣高層的粒子碰撞，形成絢麗的極光。因此，極光的出現與太陽的活動息息相關。太陽的活躍週期為十一年，即每隔十一年，太陽的活躍程度便會到達高峰。在這些太陽暴怒的時候，它的表面可能發生一些稱為耀斑的高能爆發，伴隨著爆發的是大量在日冕中的帶電粒子被拋射出太空。這些極高能的粒子可能帶來了比平時大千倍的能量，使極光變得非常燦爛，高度也增加了，甚至在美國也可看到。

太陽風如何與地球磁場作用？

要明白太陽風遇到地球磁場後帶電粒子的運動並不簡單。圖二顯示了地球磁場與太陽風的磁場相互作用，產生了幾個區域。地球磁場被太陽風的磁場塑造成彗星狀的區域，兩者的磁力線在區域的邊沿 ( 稱為磁頂 ) 交接。當太陽風經過磁頂時 ( 圖三 ) ，帶電粒子受磁場的磁力影響，質子會偏移至圖四的右方，而電子則偏移至左方 ( 你還記得如何從右手法則決定帶電粒子在磁場中的運動方向嗎？ ) 這些電荷的分離造成了正負兩個電極，產生了從正極流向負極的電流。但這電流並非直接流通兩電極，而是繞過一條很有趣的路徑﹕電流首先受地球磁場的影響，沿著磁力線迴旋至電離層，在電離層形成一個橢圓狀的導電通道，稱為極光帶，最後電流主要從橢圓的另一端離開，流至負極。極光就是在極光帶裡產生的，這個以北極為中心的環狀區域由北緯 伸延至北緯左右，在南極附近也有一個類似的區域。因此極光只有在極北或極南的地域才可看到，在赤道附近，很難看見。

文：湯兆昇

在沙漠中，迷路的人缺水缺糧，忽然看見了綠洲，但走近了卻發現原來只是海市蜃樓的幻像，空歡喜一場。這雖然是電影常用的橋段，但海市蜃樓是真有其事的，是大自然跟我們在玩光線的魔法。它的成因是光線在空氣中被折射，再加上全內反射的結果。

海市蜃樓是甚麼？它是如何形成的？

如果要明白海市蜃樓的成因，首先要明白為甚麼光線在空氣中會被折射。原來，不同溫度的空氣有不同的折射率，就好像許多不同的介質一樣。靠近地面的空氣較熱，折射率較低。我們可以把空氣想像為許多層的介質，而每一層的折射率都不同，越接近地面，折射率越低。因此光線在空氣中行走時，路線便如圖中所示。

這個模型解釋了極光的顏色。來自太陽的紫外線把氧分子分解成原子，成為了大氣最高層 ( 電離層 ) 的主要成份。當氧原子受電子激發後，便會發出極光那主要的淺綠色光芒。能量較高的電子則可深入大氣層較低的地方，激發那裡的中性氮分子，發出粉紅色或紫紅色的光輝。電離的氮分子則發出紫藍色的光。這些次要的激發豐富了極光的顏色，為這道美麗的卷簾添上了悅目的花邊。

另一方面，我們也要知道甚麼是全內反射。如果光線微微傾斜地從玻璃射進空氣，一部分的光線會被反射回去，另一部分就會被折射，從玻璃中走出來。由於玻璃的折射率較空氣高，所以折射角總是大於入射角 。當入射角越來越大，被折射的光線便會越來貼近空氣與玻璃的界面，直至入射角大於臨界角度，光線便只會被反射，而不會折射出去。這個現像叫做全內反射 。

下圖顯示海市蜃樓發生時，光線所走的路徑。假設有個綠洲，它在 A 點發出的光線被空氣折射，走一條彎彎的路徑。在 B 點，光線發生全內發射，使光線往上走。之後，光線再次被空氣折射，最後光線會進入站在 C 點那觀測者的眼睛，使他形成錯覺，誤以為綠洲很接近他呢！很久以前，人類便發現了全內反射，更把這個現象加以應用，例如光纖、單鏡反光照相機和雙筒望遠鏡都應用了全內反射的原理。

文： 張啟聰

為甚麼直昇機可以在天空上飛？為甚麼要有一個垂直的尾翼？

當你站在風扇前面，你會感到陣陣涼快。如果你把風扇調較得大一些，風力便會更強，甚至風扇也會微微向後彎。你可以想像，直昇機就是一把十分大的風扇，風力大得把自己升起！急速旋轉的機翼就好像風扇的扇葉，扇葉轉動時會把空氣向下壓 (作用力)，根據牛頓第三定律，空氣會反過來為它提供一個向上的反作用力，使直昇機向上升。

那麼，垂直的尾翼有甚麼作用呢？讓我們先想想沒有尾翼的情況。基於角動量守恆的原理，在沒有外力的影響下，直昇機的總角動量為零，如果我們假設機翼以順時針方向轉動，則機身應該會以相反方向，即以逆時針轉動，不停地打轉 (圖一)。所以，沒有尾翼的直昇機是不可能穩定下來的，因為它會一直受到一個逆時針方向的力矩。轉動的尾翼就可以為機身提供一個順時針方向的力矩，與機翼產生的力矩亙相抵消，使機身穩定下來。

因此，叮噹的「竹蜻蜓」沒有尾翼，是不可能使大雄穩定地飛行的，大雄只會不停地打轉！

文：張啟聰

為甚麼隱形戰機可以隱形？

隱形戰機並不是真的可以隱形，只是我們不能以雷達偵測到它。為甚麼它可以有這種特性呢？讓我們從雷達的運作方式來解釋。所謂「雷達偵測」，就是觀測者首先發出電磁波，電磁波會被飛機的金屬表面反射向原來的方向，再被觀測者接收。觀測者根據發射和接收相差的時間和方向便可以求得敵方戰機的位置。

傳統的飛機為了減低飛行時受到空氣阻力的影響，所以外殼大部份都是由彎曲的表面所組成的。因此，不論電磁波從那一個角度射到機身，總是有部分會被反射到原來的方向，使雷達探測器收到很強的訊號。現代有些隱形戰機的機殼是由眾多平直的表面構成的，所以電磁波不易被反射到原來的方向。除此之外，製造外殼的物料也是經過特別選擇，可以有效地吸收雷達信號的能量。這些物料一般是碳、碳纖維聚合物和磁性鐵酸鹽類的物質。結果，隱形戰機在雷達中幾乎消失，就只像一隻小鳥！

文：張啟聰