吸收（Absorption）

吸收（Absorption）
台中縣縣立中港高級中學物理科王尊信老師/國立彰化師範大學物理系洪連輝教授責任編輯

所謂吸收是指電磁波在經過物質轉變成其他形式的能量， 例如變成熱而造成晶格震盪(lattice oscillation)。比如說:在一個含離子的固體中，當電磁波通過時，正負離子會以不同方向震盪，因而產生另一個電磁波，所以會造成原始電磁波強度 的衰減。當原始電磁波的頻率與晶格震盪的自然頻率相同時，兩波產生共振，因此原始電磁波被吸收的強度會達到最大，亦即吸收會達到峰值，對一般晶體而言，這 樣的峰值大多落在紅外光區，所以大部分的電磁波被吸收後，轉變成熱能。

上圖為可吸收各種波長的太陽光譜，即使在早晨、黃昏或陰天等非理想環境狀況下，都可有效轉換產出更多的電能。

對原子而言，若考慮波爾氫原子模型(Bohr’s model)，原子吸收電磁波，可以將低能階(energy level)電子激發到高能階，若低能階電子數為N，單位頻率的光子能量密度(photon energy density per frequency)ρ，則電子被激發的速率為R=BNρ，其中B是一個比例常數，稱為愛因斯坦吸收係數(Einstein absorption coefficient)。

利用光吸收原理，所作成的光電元件常見的有三種:光偵測器(photo detector)、太陽能電池(solar cell)與光放大器(optical amplifier or laser amplifier)。

光偵測器是利用光電材料吸收電磁波而產生電的訊號，進而輸出電壓或電流。常見的光偵測器是由光二極體(photo diode)所作成的，當通過電磁波的能量大於光二極體的能帶間隙(energy band gap)，這時電磁波可以被吸收，而將共價帶(valance band)的電子激發到傳導帶(conduction band)，形成自由電子電洞對(free electron hole pair, FEHP)，對外輸出電的訊號。在半導體中，入射光強度為I_o，距離半導體表面x光強度為I，則I=I_oexp(-αx)，此時α稱為吸收係數(Absorption coefficient)。吸收係數是光子能量的函數，也就是說:在定溫下，同一個半導體材料對不同波長的電磁波有不同的吸收能力，而對光偵測器而言，吸收波長希望能落在吸收係數最高的地方。

太陽能電池是利用光電材料吸收電磁波，對外輸出電能的裝置。常見的太陽能電池是由矽或三五族化合物半導體所作成，最近也積極開發有機材料作成太陽能電池，稱為有機太陽能電池(organic solar cell)。

光放大器是利用光電材料吸收電磁波，再外加電能放大這種電訊號，然後再轉換成光訊號的裝置，但是最近因為半導體材料的研究發展快速，因此利用光電半導 體材料作成的光放大器可以直接外接電源，而放大光的訊號，而使效率大幅提升。當放大的電磁波頻寬很窄，達到雷射的領域時，這種光放大器就稱為雷射放大器。

參考資料:
1. http://en.wikipedia.org/wiki/Absorption_(electromagnetic_radiation)
2. http://www.solarmio.com/tw/cata_standard_cards.aspx?param_01=2sc1