2014年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)讓發(fā)光二極管成為了公眾關(guān)心的焦點(diǎn)。近些年來，從發(fā)光二極管提供背光的液晶顯示器到照明用的臺(tái)燈，這種新型的照明方式正在越來越多地出現(xiàn)在我們的生活中。那么，發(fā)光二極管與傳統(tǒng)照明方式相比，有哪些優(yōu)點(diǎn)，它又是如何為我們提供照明的呢？?

　　在了解發(fā)光二極管的工作原理以及它為什么更加節(jié)能之前，我們不妨來看一下傳統(tǒng)的白熾燈，也就是俗稱的電燈泡是如何發(fā)光的。?

　　科學(xué)家告訴我們，任何物體只要它的溫度高于絕對(duì)零度，就無時(shí)無刻不在以電磁波的形式向外界散發(fā)能量，這叫熱輻射。電磁波的波長從幾千千米到不足1納米，跨越了巨大的范圍，但是只有400~800納米很窄的一段才能被我們的眼睛所感知，這就是通常所說的可見光。所以我們可以說，包括我們自身在內(nèi)的所有物體都在發(fā)光。?

　　然而一個(gè)物體發(fā)出的電磁波并不是均勻地覆蓋所有的波長，而是主要地集中在某個(gè)波長附近，而這個(gè)波長的長短與物體的溫度成反比。對(duì)于溫度在室溫附近的物體來說，它們發(fā)出的電磁波主要集中在波長比可見光長的紅外線，所以可見光的比例微乎其微。這就是我們看不見這些物體在發(fā)光的原因。?

　　隨著物體溫度一步步升高，它的熱輻射不僅會(huì)變得更加強(qiáng)烈，而且發(fā)出的電磁波也逐漸變得以可見光為主，因此這些原本看不見發(fā)光的物體會(huì)變得明亮起來。例如電爐絲加熱到幾百攝氏度時(shí)會(huì)發(fā)紅，就是因?yàn)闇囟壬呤沟眉t光取代了紅外線，在熱輻射中占據(jù)了支配地位。如果溫度繼續(xù)升高到幾千攝氏度，那么可見光中波長更短的黃、綠、藍(lán)等顏色的光也被大量釋放出來。不同波長的可見光混合在一起，我們就看到了與陽光類似的白光，這就是白熾現(xiàn)象。在白熾燈出現(xiàn)之前，人們通過燃燒柴火、燈油或者各種蠟來照明，實(shí)際上也是在利用白熾現(xiàn)象，只不過這時(shí)候利用的是化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的高溫；而白熾燈則是通過電流將鎢絲加熱到2000攝氏度以上，從而產(chǎn)生大量的可見光。?

　　白熾現(xiàn)象只是物體被加熱時(shí)的一個(gè)“副產(chǎn)品”，而特地讓白熾燈發(fā)光要消耗很大的電能，才能把燈絲加熱到很高的溫度，這并不是很劃算。由于所有熱輻射發(fā)出的電磁波都會(huì)覆蓋一個(gè)寬廣的波長范圍，白熾燈在發(fā)出可見光的同時(shí)還會(huì)發(fā)出大量的紅外線、紫外線等，它們對(duì)提供照明毫無幫助，卻消耗了大量的能量。比如，某天你到食堂想買10元錢的饅頭，大師傅卻給你5毛錢的饅頭和9.5元錢的米飯。你說我今天不要米飯，只要饅頭；大師傅說不行，饅頭和米飯只能這樣搭配著賣。為了保證買到足夠的饅頭，你只好花200元買來10元的饅頭，多花了190元錢。白熾燈的工作原理就像這樣，輸入的電能只有5%左右能夠被轉(zhuǎn)化成可見光，其余都變成熱能白白浪費(fèi)了。?

　　白熾燈極低的效率不僅浪費(fèi)大量的電能，產(chǎn)生的熱量也帶來了很多令人頭疼的問題。這些熱量傳遞到環(huán)境中，可能會(huì)讓使用者感到不舒服，還會(huì)輕易地讓周圍的紙張、布匹等可燃物質(zhì)的溫度升高到燃點(diǎn)以上，帶來很大的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。另外，在幾千攝氏度的高溫下，許多常溫下很穩(wěn)定的物質(zhì)都會(huì)變得非常活潑，這意味著燈絲很容易損壞。盡管現(xiàn)代的白熾燈使用熔點(diǎn)極高的鎢絲，并將燈泡內(nèi)部抽成真空或者充入惰性氣體防止鎢被氧化，白熾燈的使用壽命仍然不長，一般不超過1000小時(shí)。也就是說，哪怕燈泡質(zhì)量再好，每天只用提供3~5小時(shí)的照明，一年左右也必須更換了。因此，盡管白熾燈為現(xiàn)代文明的進(jìn)步做出了不可磨滅的貢獻(xiàn)，仍然無法避免退出歷史舞臺(tái)的命運(yùn)。?

　　目前，各國政府都已經(jīng)將淘汰普通白熾燈列上了日程，未來幾年時(shí)間內(nèi)，白熾燈將逐漸從人們的視野中消失。那么誰來繼續(xù)為我們提供照明呢？那就是發(fā)光原理截然不同的冷發(fā)光。?

　　我們知道，如果用腳去踢一個(gè)放在地上的足球，那么每次足球飛起的速度都不盡相同，這是因?yàn)槲覀兒茈y保證每次用力相同。然而如果讓這個(gè)足球從二樓陽臺(tái)上自由落下，那么它總會(huì)以相同的速度落到地面。這是因?yàn)槲覀儼炎闱驈囊粯菐У蕉堑倪^程中克服了重力的吸引，足球增加了勢能。當(dāng)足球從二樓落下時(shí)，增加的勢能釋放出來，賦予了足球速度。由于樓層的高度是固定的，增加的勢能也是固定的，足球落地時(shí)的速度自然也是相同的。?

　　我們還知道，原子是由原子核和核外的電子組成的，原子構(gòu)成分子是這些電子相互作用把不同的原子維系起來的。無論在原子還是分子中，這些電子也像分別住在一棟高樓中，高樓的每一個(gè)樓層被稱為能級(jí)；樓層越高，對(duì)應(yīng)的能量也就越高。一般來說，電子入住這樣一棟高樓時(shí)，總是從能量最高的“一樓”開始，逐漸占據(jù)上面的樓層。當(dāng)全部的電子入住完畢時(shí)，大樓里還會(huì)有許多樓層空著。假設(shè)某個(gè)分子中的電子占據(jù)了大樓的1~10層，如果我們把原本處在下層的電子移動(dòng)到上一層，那么電子在這個(gè)過程中也增加了能量。如果讓這個(gè)電子回到下層，那么多余的能量也會(huì)被釋放出來，只不過不是增加速度，而是釋放出電磁波。如果電磁波的波長剛好在400~800納米這個(gè)范圍，那么電子在這個(gè)移動(dòng)過程中就發(fā)出了可見光。演唱會(huì)上，歌迷手中揮動(dòng)的螢光棒就是一個(gè)典型的例子。螢光棒買來時(shí)并不會(huì)發(fā)光，一旦我們將它彎曲，螢光棒內(nèi)部原本被分隔開的幾種化學(xué)物質(zhì)混合到一起發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；反應(yīng)釋放出的能量讓某些電子從能量低的狀態(tài)進(jìn)入能量高的狀態(tài)，當(dāng)它們再次回到能量低的狀態(tài)時(shí)，光就被釋放出來了。?

　　正在發(fā)光的熒光棒并不像點(diǎn)亮的白熾燈那樣燙手，因此像螢光棒這樣的發(fā)光通常被稱為冷發(fā)光。冷發(fā)光并不需要像白熾燈那樣將物體加熱到很高的溫度，所以對(duì)能量的利用率自然更高一些。冷發(fā)光還有一個(gè)獨(dú)特之處，那就是一般不會(huì)像白熾發(fā)光那樣覆蓋一個(gè)很廣的波長范圍，而是集中于某一特定的波長。例如一根黃色的螢光棒絕不會(huì)發(fā)出紅光或者藍(lán)光，更不會(huì)發(fā)出對(duì)照明毫無幫助的紅外線和紫外線，這也是冷發(fā)光對(duì)能量的利用率高于白熾發(fā)光的一個(gè)重要原因。?

　　前面提到的螢光棒是利用了化學(xué)反應(yīng)讓電子進(jìn)入高能量的狀態(tài)，我們也可以利用光來給電子提供能量。熒光燈燈管的內(nèi)壁涂有一層熒光粉，兩端是鎢制燈絲，燈管中添加少量的汞，并充入氬氣等惰性氣體。電路接通后，電流流經(jīng)燈絲，大量的電子從燈絲中釋放出來。這些電子與燈絲中氬氣的原子發(fā)生激烈的碰撞，使得氬原子中的一些電子逃逸出來；而氬原子自己則帶上正電，變成了氬離子。這些電子和氬離子從燈管的一端移動(dòng)到另一端，在移動(dòng)過程中放出的熱量把液態(tài)汞變成了汞蒸汽；而進(jìn)入到蒸汽中的汞原子也與電子和氬離子發(fā)生碰撞。?

　　而這樣碰撞的結(jié)果，就是大量的紫外線從汞蒸汽中被釋放出來。熒光粉吸收紫外線的能量，隨即產(chǎn)生熒光或者磷光現(xiàn)象。這些物質(zhì)發(fā)出的不再是紫外線，而是可見光。這樣，通過幾道工序的互相配合，熒光燈就把電能轉(zhuǎn)化為光能。?

　　由于依靠冷發(fā)光原理提供照明，熒光燈的效率要大大高于白熾燈，可以將20%~25%的電能轉(zhuǎn)化為光能。熒光燈的使用壽命也大大長于白熾燈，理論上至少可以持續(xù)提供一萬小時(shí)的照明。不過人們?nèi)匀徊粷M足這樣的數(shù)字，于是又開發(fā)了另一種借助冷發(fā)光原理的燈具——發(fā)光二極管。?

　　好了，今天的非常科學(xué)到這里又要跟大家說再見了。主持人亞楠代表編輯制作感謝您的收聽。想要了解更多科普信息，可以搜索微信公眾號(hào)“feichangkexue”關(guān)注我們，或者通過新浪官方微博“經(jīng)濟(jì)之聲非?？茖W(xué)”與我們互動(dòng)。明天同一時(shí)間我們相約《非?？茖W(xué)》。?




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