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(lái)，從發(fā)光二極管提供背光的液晶顯示器到由其提供照明的臺(tái)燈，這種新型的照明方式正在越來(lái)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?
白熾：并不高明的發(fā)光
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(lái)看一下傳統(tǒng)的白熾燈，也就是俗稱(chēng)的電燈泡是如何發(fā)光的。
如果我告訴你，我們身邊的所有物體都在發(fā)光，你可能會(huì)覺(jué)得非常驚訝。是呀，常識(shí)告訴我們，天空中只有恒星能發(fā)光，連月亮都是反射光;生活中除了電燈、蠟燭等，沒(méi)看見(jiàn)其他的物體也在發(fā)光呀?
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(wú)時(shí)無(wú)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(zhǎng)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納米這很窄的一段才能被我們的眼睛所感知，這就是通常所說(shuō)的可見(jiàn)光。所以我們可以說(shuō)，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(zhǎng)，而是主要地集中在某個(gè)波長(zhǎng)附近，而這個(gè)波長(zhǎng)的長(zhǎng)短與物體的溫度成反比。對(duì)于溫度在室溫附近的物體來(lái)說(shuō)，它們發(fā)出的電磁波主要集中在波長(zhǎng)比可見(jiàn)光長(zhǎng)的紅外線，所以可見(jiàn)光的比例微乎其微。這就是我們看不見(jiàn)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(jiàn)光為主，因此這些原本看不見(jiàn)發(fā)光的物體會(huì)變得明亮起來(lái)。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(jiàn)光中波長(zhǎng)更短的黃、綠、藍(lán)等顏色的光也被大量釋放出來(lái)。不同波長(zhǎng)的可見(jiàn)光混合在一起，我們就看到了與陽(yáng)光類(lèi)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(guò)燃燒柴火、燈油或者各種蠟來(lái)照明，實(shí)際上也是在利用白熾現(xiàn)象，只不過(guò)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(guò)電流將鎢絲加熱到2，000攝氏度以上，從而產(chǎn)生大量的可見(jiàn)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(zhǎng)范圍，白熾燈在發(fā)出可見(jiàn)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(wú)幫助，卻消耗了大量的能量。打個(gè)比方，某天你到食堂想買(mǎi)10元錢(qián)的饅頭，大師傅卻給你5毛錢(qián)的饅頭和9.5元錢(qián)的米飯。你說(shuō)我今天不要米飯，只要饅頭;大師傅說(shuō)不行，饅頭和米飯只能這樣搭配著賣(mài)。為了保證買(mǎi)到足夠的饅頭，你只好花200元買(mǎi)來(lái)10元的饅頭，多花了190元錢(qián)。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(jiàn)光，其余都變成熱能白白浪費(fèi)掉了。
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(lái)了很多令人頭疼的問(wèn)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?chē)募垙?、布匹等可燃物質(zhì)的溫度升高到燃點(diǎn)以上，帶來(lái)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(zhǎng)，一般不超過(guò)1，000小時(shí)。也就是說(shuō)，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(wú)法避免退出歷史舞臺(tái)的命運(yùn)。目前，各國(guó)政府都已經(jīng)將淘汰普通白熾燈列上了日程，未來(lái)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(shuí)來(lái)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。
效率更高的冷發(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(yáng)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^(guò)程中克服了重力的吸引，足球增加了勢(shì)能。當(dāng)足球從二樓落下時(shí)，增加的勢(shì)能釋放出來(lái)，賦予了足球速度。由于樓層的高度是固定的，增加的勢(shì)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(lái)的。無(wú)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(chēng)為能級(jí);樓層越高，對(duì)應(yīng)的能量也就越高。一般來(lái)說(shuō)，電子入住這樣一棟高樓時(shí)，總是從能量最高的“一樓”開(kāi)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(guò)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(lái)，只不過(guò)不是增加速度，而是釋放出電磁波。如果電磁波的波長(zhǎng)剛好在400~800納米這個(gè)范圍，那么電子在這個(gè)移動(dòng)過(guò)程中就發(fā)出了可見(jiàn)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(mǎi)來(lái)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(kāi)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?cè)俅位氐侥芰康偷臓顟B(tài)時(shí)，光就被釋放出來(lái)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(chēng)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，因此對(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(zhǎng)范圍，而是集中于某一特定的波長(zhǎng)。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(wú)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。
熒光燈：冷發(fā)光的典范
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(lái)給電子提供能量。例如把一張鈔票放在紫外燈下，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)有的區(qū)域發(fā)出藍(lán)光，這是因?yàn)檫@些區(qū)域里某些物質(zhì)的電子能夠吸收紫外線的能量，從而產(chǎn)生了冷發(fā)光。這樣由光提供能量的冷發(fā)光被稱(chēng)為熒光或者磷光，而熒光燈就是利用了這一原理。
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(lái)。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(lái);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(guò)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。碰撞的結(jié)果，大量的紫外線從汞蒸汽中被釋放出來(lái)。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(jiàn)光。這樣，通過(guò)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(zhǎng)于白熾燈，理論上至少可以持續(xù)提供10，000小時(shí)的照明。不過(guò)人們?nèi)匀徊粷M足這樣的數(shù)字，于是又開(kāi)發(fā)了另一種借助冷發(fā)光原理的燈具——發(fā)光二極管。
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