从火把到白炽灯再到LED,里面都是人类智慧的光芒

文章原标题:《灯》

霓虹初上,灯火闪烁。

偌大的城市,无数可以蜷缩的角落,

而我,

却无处可躲。

顾城说:“黑夜给了我黑色的眼睛,我却用它寻找光明”。黑夜,容易给人心理上以恐惧。因为人在黑夜里,看不清周围环境的情况下,容易变得胆怯。事实也正如此,黑夜里也更容易发生危险的事情。

所以,比起黑夜的静匿,更多的人期待的是黑夜里的光明。

————灯,顺势而生。

来自大自然的光明

最开始用来照亮夜空的光,便来源于大自然。一个意外,让那时的人类发现,打雷之后引燃的一种红红的、暖暖的物质,不仅让动物的肉更加鲜美可口,让冬日不那么煎熬,也让黑夜变得明亮。他们称之为“火”。

从那以后,火开始成为人类休戚相关的“伙伴”。

但是保留火种太难了,火很容易灭掉。所以,没办法“创造出”火来吗?当河南商丘一代的燧人氏发现鸟儿啄燧木的时候也会产生火花后,他们模仿,发明了利用了摩擦生热,使动能转化为热能的物理学原理的方法——钻木取火。

在纯纯的火把照明之后,聪明的人类开始使用油灯照明。最开始使用的油灯用的是动物油,后来被改为植物油,最后又被煤油取代,一直沿用至近代。

可是人类并没有满足,在使用油灯照明的同时,仍然在寻找其他的照明方法。到了18世纪,世上出现了用石蜡制作的蜡烛,并且开始用机器大量生产。 蜡烛轻巧方便,现在也成为了人们心中爱与祝福的象征。

所以,还有其他照明的方法吗?BINGO!在我国晋朝时期,车胤家境贫寒,所以捉来大批的萤火虫,利用萤火虫发出的萤光来照明,借着萤火虫的光亮,而在漆黑的夜晚刻苦学习。同时期的另一位学者孙康年轻时家境贫寒,偶然发现冬夜,雪地对月亮的反光(光的反射)非常明亮,便抓紧时间,夜以继日的学习,最终学有大成,成为一位很有名望的学者(御史大夫)。

萤火虫是如何发光的呢?是萤火虫可以自发电吗?不是的。萤火虫身体的腹部末端的发光器内充满许多含磷的荧光素,荧光素经过体内酶、金属离子等辅助,再与氧气反应,最终发光。简单来说,就像我们体育场馆里使用的荧光棒。可与火相同的是,萤火虫发光也是因为氧化的荧光素从激发态跃迁回基态

虽然这些方法使用起来有很多限制条件,不过在人类的照明史上,也算是最奇特的一种方法了。

从火把、蜡烛、油灯、煤油灯一路走来,见证了人类文明的进步,但他们依赖的都是可燃物质的燃烧。想要突破这一点,需要人类科技实现质的飞跃。

来自人类智慧的光明

1831英国物理学家迈克尔·法拉第发现了电磁感应效应,让人类看到了文明新纪元的曙光。1878年9月,美国俄亥俄州的一位叫托马斯·阿尔瓦·爱迪生的企业家对于“研究如何用电照明”产生了极大的兴趣。于是,他开始研究电灯。研究的过程是十分艰难的,他尝试了1600多种材料,经历了无数次的失败。直到1906年,爱迪生找到了做灯丝的新材料——钨丝。至此,白炽灯真正地改写了人类照明的历史,从此人类走向了用电照明的时代。

电灯泡(白炽灯)是怎么发光的呢?很简单,电线里的电流进入到很细很细的金属丝里,金属丝会产生高热,当热到一定程度时,金属丝内的原子能级里将会发生微妙的变化——电子被激发到更高的能级,当这些电子想返回初始能级时,多余的能量就会以光的形式发出。

虽然白炽灯已经给予漆黑的夜晚极大的光明了,但是它却存在一个明显的不足之处:它只利用电能的10%-20%,其余的80%-90%的电能以热损耗的形式被浪费掉了。 “白炽灯靠电流加热,使热能转换为光能,这种电能的利用形式太浪费了,能不能开辟一条电能利用的新途径呢?”有的科学家提出了新的想法。

1902年,美国科学家黑维特发明了一种通过水银蒸气发光的蒸汽灯,它是由密封在玻璃管里的各种蒸汽通以电流而发光的。它的构造和日光灯很像,但要省电。但是,水银蒸气等发射的光中包含大量的紫外线。众所周知,紫外线对人类有害,所以这种灯作为照明来用是有问题的。

又经过美国通用公司的伊曼等人的努力,终于,在1938年研制出另一种照明装置——日光灯。这种灯是在一根玻璃管内,充进一定量的水银,管的内壁涂有荧光粉,管的两端各有一个灯丝做电极。因为这种荧光和日光相似,所以大家叫它日光灯。它的工作原理是:通电后,水银蒸气放电,同时产生紫外线,紫外线激发管内壁的荧光物质使其产生原子跃迁,从而发出可见光。

与白炽灯相比,日光灯更加明亮,电能的利用效率更高。而且,通过变换荧光粉的成分可以使其发出绚丽多彩的光芒。例如,使用钨酸镁,可以得到蓝白色光;使用硼酸镉,可以得到淡红色光。这样就得到了五颜六色的霓虹灯,耀眼夺目。由于这些优点,日光灯出现在了大街小巷和各家各户,现在仍是大多数人的首选照明方式。

自从文明诞生的那一刻起,就注定了人类对于科技进本的追求将永无止境。现在,我们仍然在探索新的照明途径,并且已经有得到了不错的成果。这新一代的照明工具就是——LED。

LED是英文light emitting diode(发光二极管)的缩写,是用高亮度发光二极管做的照明灯,它的核心部分是由p型半导体和n型半导体组成的晶片,在p型半导体和n型半导体之间有一个过渡层,称为PN结。当有电激励PN结时,举个例子,就像在山中行下坡路,注入的少数载流子向低能级跃迁,可以与下边的多数载流子复合,因为能量守恒,故多余的能量以光的形式释放出来,继而把电能转换为光能。

也许你会问,如果给PN结加反向电压会怎么样?其实,因为PN结的p型材料和n型材料之间的能带不同,所以会存在一个能势差,叫势垒。就像山路上很陡峭的上坡路,是不是很难上去?同样,因为势垒的存在,少数载流子难以注入,故不发光。也因为LED晶片材料和结构的不同,LED灯可以发出多种颜色的光。

相比于白炽灯和日光灯,LED具有高效、节能、长寿命、环保等一系列优点。LED已经用事实证明,它是更适合人们使用的照明光源。

总而言之,无论是原始的火烛灯,还是萤火虫等生物灯,甚至是日光灯、LED灯灯电灯,它们发光的原理有一个共同点,那就是——物理学上原子的跃迁。

在这个世界,

不懂跃迁,

我们还没法发光了呢~

来源:中科院半导体所

编辑:Quanta Yuan