2014年的諾貝爾物理學獎讓發光二極管成為(wei) 了公眾(zhong) 關(guan) 心的焦點。近些年來，從(cong) 發光二極管提供背光的液晶顯示器到照明用的台燈，這種新型的照明方式正在越來越多地出現在我們(men) 的生活中。那麽(me) ，發光二極管與(yu) 傳(chuan) 統照明方式相比，有哪些優(you) 點，它又是如何為(wei) 我們(men) 提供照明的呢？ 

　　在了解發光二極管的工作原理以及它為(wei) 什麽(me) 更加節能之前，我們(men) 不妨來看一下傳(chuan) 統的白熾燈，也就是俗稱的電燈泡是如何發光的。 

　　科學家告訴我們(men) ，任何物體(ti) 隻要它的溫度高於(yu) 絕對零度，就無時無刻不在以電磁波的形式向外界散發能量，這叫熱輻射。電磁波的波長從(cong) 幾千千米到不足1納米，跨越了巨大的範圍，但是隻有400~800納米很窄的一段才能被我們(men) 的眼睛所感知，這就是通常所說的可見光。所以我們(men) 可以說，包括我們(men) 自身在內(nei) 的所有物體(ti) 都在發光。 

　　然而一個(ge) 物體(ti) 發出的電磁波並不是均勻地覆蓋所有的波長，而是主要地集中在某個(ge) 波長附近，而這個(ge) 波長的長短與(yu) 物體(ti) 的溫度成反比。對於(yu) 溫度在室溫附近的物體(ti) 來說，它們(men) 發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(men) 看不見這些物體(ti) 在發光的原因。 

　　隨著物體(ti) 溫度一步步升高，它的熱輻射不僅(jin) 會(hui) 變得更加強烈，而且發出的電磁波也逐漸變得以可見光為(wei) 主，因此這些原本看不見發光的物體(ti) 會(hui) 變得明亮起來。例如電爐絲(si) 加熱到幾百攝氏度時會(hui) 發紅，就是因為(wei) 溫度升高使得紅光取代了紅外線，在熱輻射中占據了支配地位。如果溫度繼續升高到幾千攝氏度，那麽(me) 可見光中波長更短的黃、綠、藍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(men) 就看到了與(yu) 陽光類似的白光，這就是白熾現象。在白熾燈出現之前，人們(men) 通過燃燒柴火、燈油或者各種蠟來照明，實際上也是在利用白熾現象，隻不過這時候利用的是化學反應產(chan) 生的高溫；而白熾燈則是通過電流將鎢絲(si) 加熱到2000攝氏度以上，從(cong) 而產(chan) 生大量的可見光。 

　　白熾現象隻是物體(ti) 被加熱時的一個(ge) “副產(chan) 品”，而特地讓白熾燈發光要消耗很大的電能，才能把燈絲(si) 加熱到很高的溫度，這並不是很劃算。由於(yu) 所有熱輻射發出的電磁波都會(hui) 覆蓋一個(ge) 寬廣的波長範圍，白熾燈在發出可見光的同時還會(hui) 發出大量的紅外線、紫外線等，它們(men) 對提供照明毫無幫助，卻消耗了大量的能量。比如，某天你到食堂想買(mai) 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，隻要饅頭；大師傅說不行，饅頭和米飯隻能這樣搭配著賣。為(wei) 了保證買(mai) 到足夠的饅頭，你隻好花200元買(mai) 來10元的饅頭，多花了190元錢。白熾燈的工作原理就像這樣，輸入的電能隻有5%左右能夠被轉化成可見光，其餘(yu) 都變成熱能白白浪費了。 

　　白熾燈極低的效率不僅(jin) 浪費大量的電能，產(chan) 生的熱量也帶來了很多令人頭疼的問題。這些熱量傳(chuan) 遞到環境中，可能會(hui) 讓使用者感到不舒服，還會(hui) 輕易地讓周圍的紙張、布匹等可燃物質的溫度升高到燃點以上，帶來很大的火災風險。另外，在幾千攝氏度的高溫下，許多常溫下很穩定的物質都會(hui) 變得非常活潑，這意味著燈絲(si) 很容易損壞。盡管現代的白熾燈使用熔點極高的鎢絲(si) ，並將燈泡內(nei) 部抽成真空或者充入惰性氣體(ti) 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。也就是說，哪怕燈泡質量再好，每天隻用提供3~5小時的照明，一年左右也必須更換了。因此，盡管白熾燈為(wei) 現代文明的進步做出了不可磨滅的貢獻，仍然無法避免退出曆史舞台的命運。 

　　目前，各國政府都已經將淘汰普通白熾燈列上了日程，未來幾年時間內(nei) ，白熾燈將逐漸從(cong) 人們(men) 的視野中消失。那麽(me) 誰來繼續為(wei) 我們(men) 提供照明呢？那就是發光原理截然不同的冷發光。 

　　我們(men) 知道，如果用腳去踢一個(ge) 放在地上的足球，那麽(me) 每次足球飛起的速度都不盡相同，這是因為(wei) 我們(men) 很難保證每次用力相同。然而如果讓這個(ge) 足球從(cong) 二樓陽台上自由落下，那麽(me) 它總會(hui) 以相同的速度落到地麵。這是因為(wei) 我們(men) 把足球從(cong) 一樓帶到二樓的過程中克服了重力的吸引，足球增加了勢能。當足球從(cong) 二樓落下時，增加的勢能釋放出來，賦予了足球速度。由於(yu) 樓層的高度是固定的，增加的勢能也是固定的，足球落地時的速度自然也是相同的。 

　　我們(men) 還知道，原子是由原子核和核外的電子組成的，原子構成分子是這些電子相互作用把不同的原子維係起來的。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(ge) 樓層被稱為(wei) 能級；樓層越高，對應的能量也就越高。一般來說，電子入住這樣一棟高樓時，總是從(cong) 能量最高的“一樓”開始，逐漸占據上麵的樓層。當全部的電子入住完畢時，大樓裏還會(hui) 有許多樓層空著。假設某個(ge) 分子中的電子占據了大樓的1~10層，如果我們(men) 把原本處在下層的電子移動到上一層，那麽(me) 電子在這個(ge) 過程中也增加了能量。如果讓這個(ge) 電子回到下層，那麽(me) 多餘(yu) 的能量也會(hui) 被釋放出來，隻不過不是增加速度，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(ge) 範圍，那麽(me) 電子在這個(ge) 移動過程中就發出了可見光。演唱會(hui) 上，歌迷手中揮動的螢光棒就是一個(ge) 典型的例子。螢光棒買(mai) 來時並不會(hui) 發光，一旦我們(men) 將它彎曲，螢光棒內(nei) 部原本被分隔開的幾種化學物質混合到一起發生化學反應；反應釋放出的能量讓某些電子從(cong) 能量低的狀態進入能量高的狀態，當它們(men) 再次回到能量低的狀態時，光就被釋放出來了。 

　　正在發光的熒光棒並不像點亮的白熾燈那樣燙手，因此像螢光棒這樣的發光通常被稱為(wei) 冷發光。冷發光並不需要像白熾燈那樣將物體(ti) 加熱到很高的溫度，所以對能量的利用率自然更高一些。冷發光還有一個(ge) 獨特之處，那就是一般不會(hui) 像白熾發光那樣覆蓋一個(ge) 很廣的波長範圍，而是集中於(yu) 某一特定的波長。例如一根黃色的螢光棒絕不會(hui) 發出紅光或者藍光，更不會(hui) 發出對照明毫無幫助的紅外線和紫外線，這也是冷發光對能量的利用率高於(yu) 白熾發光的一個(ge) 重要原因。 

　　前麵提到的螢光棒是利用了化學反應讓電子進入高能量的狀態，我們(men) 也可以利用光來給電子提供能量。熒光燈燈管的內(nei) 壁塗有一層熒光粉，兩(liang) 端是鎢製燈絲(si) ，燈管中添加少量的汞，並充入氬氣等惰性氣體(ti) 。電路接通後，電流流經燈絲(si) ，大量的電子從(cong) 燈絲(si) 中釋放出來。這些電子與(yu) 燈絲(si) 中氬氣的原子發生激烈的碰撞，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(cong) 燈管的一端移動到另一端，在移動過程中放出的熱量把液態汞變成了汞蒸汽；而進入到蒸汽中的汞原子也與(yu) 電子和氬離子發生碰撞。 

　　而這樣碰撞的結果，就是大量的紫外線從(cong) 汞蒸汽中被釋放出來。熒光粉吸收紫外線的能量，隨即產(chan) 生熒光或者磷光現象。這些物質發出的不再是紫外線，而是可見光。這樣，通過幾道工序的互相配合，熒光燈就把電能轉化為(wei) 光能。 

　　由於(yu) 依靠冷發光原理提供照明，熒光燈的效率要大大高於(yu) 白熾燈，可以將20%~25%的電能轉化為(wei) 光能。熒光燈的使用壽命也大大長於(yu) 白熾燈，理論上至少可以持續提供一萬(wan) 小時的照明。不過人們(men) 仍然不滿足這樣的數字，於(yu) 是又開發了另一種借助冷發光原理的燈具——發光二極管。 

　　好了，今天的非常科學到這裏又要跟大家說再見了。主持人亞(ya) 楠代表編輯製作感謝您的收聽。想要了解更多科普信息，可以搜索微信公眾(zhong) 號“feichangkexue”關(guan) 注我們(men) ，或者通過新浪官方微博“經濟之聲非常科學”與(yu) 我們(men) 互動。明天同一時間我們(men) 相約《非常科學》。 




關(guan) 注【深圳科普】微信公眾(zhong) 號，在對話框：
回複【最新活動】，了解近期科普活動
回複【科普行】，了解最新深圳科普行活動
回複【研學營】，了解最新科普研學營
回複【科普課堂】，了解最新科普課堂
回複【科普書(shu) 籍】，了解最新科普書(shu) 籍
回複【團體(ti) 定製】，了解最新團體(ti) 定製活動
回複【科普基地】，了解深圳科普基地詳情
回複【觀鳥星空体育官网入口网站】，學習(xi) 觀鳥相關(guan) 科普星空体育官网入口网站