玻色子與費米子二：粒子特性
玻色子與費米子二：粒子特性 (Bosons and fermions Ⅱ: Particles qualities)/strong>
國立臺灣大學物理系 林惟淨
在上一篇文章中我們解釋了玻色子與費米子的理論來源，是由我們必須改寫多粒子狀態下全同粒子的波函數而得。延續著玻色子與費米子的主題，接下來在這篇文章中，我們則要介紹這兩種粒子的特性。
量子論
光電效應、波粒二象性、原子光譜、量子力學簡介
玻色子與費米子一：理論來源
玻色子與費米子一：理論來源 (Bosons and Fermions Ⅰ: The Theory)
國立臺灣大學物理系 林惟淨
在量子物理的世界中，粒子可以分為玻色子 (Bosons) 與費米子 (Fermions) 兩類，它們分別以印度物理學家玻色 (Satyendra Nath Bose, 1894-1974) 與義大利物理學家費米 (Enrico Fermi, 1901-1954) 命名，以紀念兩人傑出的研究貢獻。在這篇文章中我們將著重於玻色子與費米子的理論來源，而在下篇文章中，我們將介紹一些這兩種粒子的特性。
【2016年諾貝爾物理獎特別報導】物質在平面世界裡的奇異現象
物質在平面世界裡的奇異現象 (Strange phenomena in matter’s flatlands)
高瞻計畫特約編譯 葉承効/國立臺灣大學物理學系講座教授 郭光宇責任編輯
今年獲獎的研究開啟了一扇大門，讓人看到未知世界裡物質的新奇形態。2016的諾貝爾物理獎一半由華盛頓大學的大衛・索勒斯（David J. Thouless），另一半則由普林斯頓大學的鄧肯・哈爾丹（F. Duncan M. Haldane）及布朗大學的麥克・克斯特利茲（J. Michael Kosterlitz）共享此殊榮。他們的研究為人類理解物質的奧秘帶來突破性的發展，也為新穎材料的研發開創了新的前景。
大衛・索勒斯、鄧肯・哈爾丹及麥克・克斯特利茲使用了先進的數學方法，來解釋物質在異常狀態（如超導體、超流體或磁性薄膜）下出現的奇異現象。相較於真實世界的三維空間（包括長、寬、高的空間），克斯特利茲與索勒斯研究二維平面世界里發生的現象，即在物體的表面，或是極薄的介面上所出現的現象。而哈爾丹則研究極為纖細的、甚至可以視為一維空間的線狀物質。
氫原子光譜系
氫原子光譜系 (Hydrogen Spectral Series)
國立臺灣大學物理學系 簡嘉泓
歷史
19 世紀中期，由於光譜學的發展及測量技術的演進，人們發現熱的稀薄氣體隨著種類的不同，會產生不同波長的發射譜線，而元素態的氫原子光譜也是在這個時間點被發現。
1885 年，瑞士數學教師約翰・雅各布・巴耳末 (J. J. Balmer) 運用了瑞典科學家安德斯・埃格斯特朗 (A. J. Ångström) 對氫原子光譜的精確測量結果，針對四條可見光波段的氫原子光譜（即 $$H_\alpha$$、$$H_\beta$$、$$H_\gamma$$、$$H_\delta$$），推導出奠基於實驗數據的巴耳末公式，描述波長 $$\lambda$$ 的共同規則
穿隧（通過勢壘）
穿隧（通過勢壘）Tunneling (through a potential barrier)
國立臺灣大學物理學系98級 蔡亦涵
小時候我們也許都有一個經驗，騎腳踏車看到前方有一個小斜坡，好勝心強的我們會想要加足馬力衝上去，如果斜坡不高的話，輕而一舉就過去了，要是斜坡很高，我們在半路就停下來了。
在古典力學裡面，若一個物體的總能量比前方障礙的位能還要小的話，則該物體無法克服位能障礙去到達另一端(圖1)。
圖1 (陳義裕繪)
但是在量子力學的世界裡卻不一定是如此。若物體的尺度小到量子效應明顯的話，即使總能量比位能還低，只要位能不是無限大，也不是無窮寬，的確是有機會穿透過去，我們將它稱為穿隧效應(tunneling effect)。
自旋
自旋 (Spin)
國立臺灣大學物理學系99級 沈于晴
日常生活中會看到 $$\mathrm{spin}$$ 這個字應該是在使用洗衣機脫水功能的時候吧！從字面上看起來，「自旋」似乎有「自轉」的意思。最初提出自旋概念之時，就是把電子當成如同地球般在自轉的一顆球。不過很快的科學家們便發現這種模型並不好。
現在物理學家們知道自旋是粒子內在(intrinsic)的性質。不論這顆粒子在任何位置，或者你對它外加任何的電場、磁場，它的自旋仍舊保持不變，並不會像地球的自轉有機會變快或變慢。自旋還有一個性質：它是個量子化的物理量，我們用自旋量子數 $$s$$ 來表示。$$s$$ 的值只允許為 $$\frac{1}{2}$$ 的整數倍。例如：每顆電子的自旋量子數都是 $$\frac{1}{2}$$。
截止電壓
截止電壓 (Cut-off Voltage)
國立臺灣大學物理系博士班黃琮暐
截止電壓是指當我們在做光電效應實驗中，要讓光電流停止所須外加的電壓差。
在馬克斯威爾 (James Clerk Maxwell 1831~1879)成功地描述了所有當時的電磁現象，並且為電磁學提供了完整的電磁理論之後，人們非常確信光就是一種電磁波，並且光是一種波動行為。因此，不難想像到，我們可以將光線打到金屬表面，提供能量來使電子脫離金屬表面。（例如，我們可以調控光線的強度而使得電子有足夠的能量脫離金屬）。而這樣的實驗就稱為光電效應實驗。裝置的示意圖如圖一。
圖一 （陳義裕繪） 入射光打入一個真空環境下金屬板上，而電子被打出造成安培計讀數不為零，這時的電流稱為光電流。但我們可以利用一個反向的外加電壓，使得安培計讀數為零，而調到的電壓就稱為截止電壓。而實驗上我們可以調控入射光的頻率、強度，去驗證被打出的電子所獲得的能量與入射光的頻率成線性關係。
能階
能階
國立臺灣大學物理研究所李培瑋
能階：指原子內電子所能存在的量子態；即電子只能在特定能量的軌道上運動，這些具有特定能量的軌道，稱為能階。
能階的概念，最早於1913年波耳(N. Bohr) 藉由探討氫原子光譜所提出的假設，其理論補足並修正了拉塞福(E. Rutherford)原子模型的缺失。
拉塞福原子模型
拉塞福(Rutherford)透過α-粒子(氦的原子核，He2+)撞擊薄金箔紙的實驗發現：大部份α-粒子會直接穿過，但仍有極少部分會以大角度反彈。因此推論原子的結構應該是：大部份質量、正電荷集中於中心的極小區域(原子核)，而原子核周圍則環繞著帶負電的電子。當然，科學家(包括拉塞福在內)都理解到此模型有著嚴重的問題。根據電磁學理論，帶電粒子做加速度運動的過程中會輻射出電磁波並因此失去能量。若電子繞著原子核做圓周運動，必會輻射出電磁波，導致電子能量漸減，繞核運動的半徑會愈來愈小，最終電子必墜毀於原子核(如圖一所示)。以氫原子為例，電子存在於氫原子的時間約為2×10-11秒，但這與原子的穩定存在不吻合。此外，拉塞福原子模型亦無法解釋原子光譜的不連續性。