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❒ 原子中電子的分佈
「原子(Atom)」的大小約為0.1nm(奈米)，原子的中心是原子核，原子核外則圍繞著許多帶負電的「電子(Electron)」，電子(帶負電)受到原子核(帶正電)的吸引而繞著原子核運行，就好像太陽系的九大行星繞著太陽運行一樣，如＜圖一＞所示。知識力www.ansforce.com。

以鉺原子為例，鉺的原子序為68，代表原子核外有68個電子，這68個電子在沒有外加能量時會在固定的軌道上繞原子核運行，這種軌道稱為「內層能階」；另外在距離原子核更遠的地方，也就是在內層能階外圍，還有一種空的軌道稱為「外層能階」，在沒有外加能量時並沒有電子存在，如圖一(a)所示，科學家們習慣將＜圖一(a)＞簡化成＜圖一(b)＞。換句話說，在「沒有外加能量」時，電子只會在「內層能階」繞原子核運行；而在「有外加能量(光能或電能)」時，少數電子會跳到「外層能階」以後再繞原子核運行。

圖一　鉺原子的電子分佈。 

❒ 能階(Energy level)
科學家們將電子可以存在於原子中，並且繞原子核運行的區域稱為「能階(Energy level)」，原子的能階分為「內層能階」與「外層能階」，如＜圖二(a)與(c)＞所示。我們可以將電子在原子的內層能階與外層能階的行為，想像成某甲在大樓的一樓與頂樓，如＜圖二(b)與(d)＞所示。

➤內層能階(能量較低)：在沒有外加能量時，原子核外所有的電子都在「內層能階」繞著原子核運行，內層能階的電子能量較低，比較穩定，如＜圖二(a)＞所示。就好像大樓的「一樓」，大樓內的某甲在大樓的一樓，一樓的能量較低，比較穩定，也比較安全，如＜圖二(b)＞所示。
➤外層能階(能量較高)：在有外加能量(光能或電能)時，則其中一個電子會由內層能階跳躍到「外層能階」，外層能階的電子能量較高，比較不穩定，如＜圖二(c)＞所示。就好像大樓的「頂樓」，對大樓內的某甲外加能量(爬樓梯或坐電梯)，則某甲會由一樓升高到頂樓，頂樓的能量較高，比較不穩定，也比較危險，如＜圖二(d)＞所示。知識力www.ansforce.com。
➤能隙(Energy gap)：科學家發現，在內層能階與外層能階之間的區域是沒有電子存在的，換句話說，電子原本在內層能階，當我們對原子外加能量，電子並不是慢慢地爬到外層能階，而是電子吸收了這個能量以後「直接跳躍」到外層能階。內層能階與外層能階之間沒有電子存在的區域稱為「能隙(Energy gap)」，而「能隙的大小」就是內層能階與外層能階之間的能量差(位能差)。

圖二　原子的內層能階與外層能階。 

❒ 原子的發光原理
＜圖三(a)＞為鉺原子的能階示意圖，如果仔細觀察＜圖三(a)＞會發現，其實圖中真正有意義的部分只有鉺原子的上方，因此科學家將鉺原子上方虛線的部分畫成如＜圖三(b)＞的簡圖。

鉺原子的68個電子在沒有外加能量時都在「內層能階」，外層能階則是空的，如＜圖三(b)＞所示。對鉺原子外加能量(光能或電能)，則其中一個電子會由內層能階跳躍到「外層能階」，如＜圖三(c)＞所示。由於外層能階的電子能量較高，比較不穩定，因此電子一不小心便會由外層能階落回內層能階，並且將剛才吸收的能量以「光能或熱能」的形式釋放出來，最後電子回到原先的狀態，如＜圖三(d)＞所示，這是所有光電科技產品必定遵守的定律，我們稱為「能量守恆定律(Energy conservation)」。

圖三　鉺原子的發光原理。

❒ 原子發光的實例
在固體材料中，要使原子發光，通常必須將會發光的原子「摻雜(加一點點)」在另外一種固體材料內，例如：固態雷射、摻鉺光纖、摻鉺放大器等元件。知識力www.ansforce.com。
➤摻鉺光纖(Erbium doped fiber)：取極少量的鉺原子摻雜在石英玻璃(二氧化矽非晶)中，熔融後再抽絲形成「摻鉺光纖(Fiber)」，其實就是摻鉺石英玻璃絲，石英玻璃絲用來傳遞光訊號，鉺原子主要的功能是發出光能放大光訊號，如＜圖四(a)＞所示。
➤鈦藍寶石雷射(Ti sapphire laser)：取極少量的鈦原子摻雜在藍寶石(氧化鋁單晶)中，充份混合均勻以後再製作成雷射，鈦原子主要的功能是發出光能產生雷射光，如＜圖四(b)＞所示。

圖四　原子發光的實例。

【重要觀念】
➤ 能階(Energy level)又稱為「能態(Energy state)」，內層能階又稱「基態(Ground state)」，外層能階又稱「激發態(Excited state)」，對原子外加能量(光能或電能)，使電子由內層能階(基態)跳躍到外層能階(激發態)的動作稱為「激發(Pumping)」。

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