电子集体“跳水”,如何点亮世界?
来源:蝌蚪五线谱 每天晚上,跳水当夜幕降临,电集点亮我们已经习惯了打开家中的体何灯,用电来为我们的世界家“续费”光明。而你有没有好奇,跳水在小小的电集点亮灯泡亮起的时候,里面究竟有什么故事在发生呢?体何白炽灯、节能灯、世界LED灯,跳水冷光灯、电集点亮暖光灯、体何各种颜色的世界灯……这些五花八门的灯具又有什么区别? 不过,无论你的跳水家里装的是什么灯,在它的电集点亮微观深处,都有着一群电子正在做着大型的体何集体运动——“跳水”。这是怎么回事?让我们先从一个电子说起。 电子的 “跳水” 说起跳水运动,必须要有的设施就是跳台。电子所在的“跳台”,就是原子核外的电子轨道能级。 由于量子力学统治着微观世界,在原子的尺度上,能量都是“量子化”的,也就是说,只有某些特定的数值可以取。电子就像小人国的精灵在皇室花园中央的多层喷泉里游泳——它可以在第一层,第二层,或者第三层……但它不能停在第一层和第二层的中间。 多层喷泉 来源:维基百科 喷泉的每一层叫做一个“能级”,有着它的代表能量。越靠近地面(原子核)的能级,能量越低,越远离地面(原子核)的能级,能量越高。就好像在天池里游泳,是一种刺激的挑战;而在地上的水坑游泳,只是轻松惬意的水上漂。 所以,一般的电子都倾向于留在更低的池子里游泳。只有当它们受到刺激,变得“兴奋”,才会接受挑战,转移到更高的池子里。我们把电子的这种状态叫做“激发态”,这是创造光的第一步。 接下来,更重要的事情发生了。在高池子游泳毕竟不是一件容易的事情,游累了的电子很快又要回到低池子里休息。这些电子去激发态,再从高能级回到低能级的“跳水”,就是量子力学中的重要概念——跃迁。 由于在高能级的电子具有的能量高,回到低能级后具有的能量变低,根据简单的能量守恒原理,这其中多余的能量必然要有地方释放掉。于是,这释放出的能量就变成了光。每个光子的能量,就由出发和到达的两个能级之间的能量差决定。 原子能级示意图。这里的n代表着它的层数,绿色的点代表一个从第三层跳回到第二层的电子 来源:维基百科 所以,我们平日里看到的灯光,都是由很多很多个这样的“跳水”的电子所产生的。那么,对于不同种类的灯,它们的发光原理又有什么区别呢? 白炽灯:混乱的集体跳 或许你的童年记忆里也有这样的场景:夜晚暖色的灯光下,一家人坐在一起吃饭聊天,你好奇的眼睛抬头看着灯泡里奇异形状的灯丝出神…… 白炽灯泡 来源:光华日报 这种可以看见灯丝的灯泡,就是灯泡中最原始的一种——白炽灯。白炽灯的灯丝是熔点很高的钨丝,在发光时,它的温度超过2000摄氏度。这样的高温激励着灯丝里的电子去了高能级的激发态,而当它们再集体往下跳时,就能发出光了。 这样的发光原理有点简单粗暴——因为它仅仅是通过加热把电子赶到更高的能级去,但没有告诉它们要去哪,要怎么跳。于是,每一个电子随机地从一层跳到另一层,场面一度十分混乱。 由于电子跳的层数五花八门,它们发出的光子具有各种不同的能量。对于光,普朗克已经为我们总结出了规律:每一个固定的能量都对应着一种固定的频率,如果落在可见光范围内,那就是一种固定的颜色;如果没有,它就成为了耗散的能量,不能被用于照明。 光的能量、频率与颜色之间的关系。能量越低,频率越低,颜色越红;能量越高,频率越高,颜色越蓝。如果能量比红色更低或比蓝色更高,发出的光人眼就不可见了。 而白炽灯的最大缺点就在这里,在这场乱七八糟的集体“跳水”中,大部分电子所发出的光,都不在可见光的范围内,而是作为红外热辐射耗散了,不能为我们所用。这些被“浪费”掉的能量,竟然能高达总量的90%! 白炽灯光谱。有用的可见光只占左边的一小部分,而右边巨大的黑色山峰代表着,大部分能量都在不可见的红外区域,化作热辐射耗散掉了。 来源:Christopher S。 Baird 因此,为了节约能源,很多国家都已经禁止使用白炽灯。我国也自2011年提出了淘汰白炽灯的计划,五年间,它们就已经全面退出市场。这昏黄而温暖的灯光,已经成为专属于我们儿时的“回忆杀”;对于再年轻一点的读者来说,它可能已经是父母辈的传说中存在的事物了。 荧光灯:精心设计的接力跳 大面积取代白炽灯地位的,就是我们所说的“节能灯”,也有人叫“日光灯”。实际上,根据原理,最准确的称呼应该是“荧光灯”。荧光灯解决的最大问题,就是改变了白炽灯中电子乱跳的混乱场面,而是变成了有计划的“接力跳”,让更多的能量转化为光。 各种各样的荧光灯管 来源:维基百科 在荧光灯管内,充有汞和其它一些惰性气体。灯管两端的灯丝,可以看作一个放电管的两极。当灯管通电,阴极的灯丝就开始发射电子。这些电子撞击到灯泡内的汞原子时,第一棒的“跳水”开始了——汞原子内的电子受到激发,发生能级跃迁,发出一种具有特定能量的紫外线。 但紫外线也不是人眼可见的光,还会对人体造成伤害。还好,它们把“接力棒”交给了第二棒队员——灯管表面的荧光材料的手中。汞原子产生的紫外线的频率,恰好在荧光材料最适合吸收的频段。荧光材料从紫外线吸收了能量,其中的电子再一次跃迁,而这一次它释放的光却大部分落在可见光的波段,变成了我们所看见的白色灯光。 紫外线灯管与套上荧光层后发白光的灯管 来源:EdisonTechCenter 在这样精心设计的接力下,荧光灯将电能转化为光能的效率达到了40%,比起白炽灯不到10%的效率,已经有了极大的提升。不过,无法避免的汞的毒性,成为了它的致命缺点,而能量损耗情况也没有达到最理想的状态。那么,还有没有更好的选择呢? LED灯:跳台也能“私人定制” 当然有更好的选择,那就是LED——发光二极管。在之前的几种灯里,“跳台”的高度,也就是电子跃迁的能级差,完全取决于原子本身的性质,是人类无法控制的。而在LED灯里,人们却可以自己设计出不同高度的“跳台”,并让电子按计划在“跳台”上“跳水”。 各种颜色的LED 来源:MyElectricSparks LED是一种半导体材料做成的电子器件。半导体指的是介于导电与不导电之间的材料。像这种固体材料的能级结构,可以用“能带”来表示,能带之间的缝隙,决定了电子能不能自由通过。如果缝隙太大,如绝缘体,就好像要突然上到百米高空再跳下,根本不可能;如果没有缝隙,如导体,则没有跃迁,自然也不会发光。 绝缘体、半导体和导体的能带示意图。 来源:learnelectronicswithme.com 因此,介于中间的半导体成了做灯的最好选择。这其中的能带间隙,就是人们为电子铺设的新型“跳台”。当电路接通,电子就会在电压的诱导下跳下“跳台”,释放出光。 人们可以通过调整材料的化学成分,控制“跳台”的高度。由于高度已经被固定在需要的范围,避免了发出没用的非可见光造成的能量损失,LED灯的发光效率又有了大幅度的提升,有80%-90%的能量都能够转化成光。而且,这也代表着,人们可以自己控制它发出光的颜色。 不同颜色的LED与对应的不同化学成分 来源:MyElectricSparks 正因为这么多优越的性质,LED灯不仅被应用在普通的照明,还被用在电子设备显示、景观设计、汽车照明等各种地方,在未来,也有更多拓展的技术和应用等待被解锁。 从白炽灯里混乱而炽热的“集体狂欢”,到荧光灯里分工明确的“接力传递”,再到如今LED中精准高效的“定制跳台”,点亮世界的科技,其实就是一部人类如何引导电子们更优雅、更高效地“跳水”的历史。 小小的量子跃迁,不仅照亮了我们的夜晚,更折射出物理学从理论走向应用的一个侧面。当你打开灯时,不妨想象一下那亿万个正在为你献上精彩“跳水表演”的电子精灵吧!(张一凡) 参考资料 1、Agrawal, Dulli & Leff, Harvey & Menon, V。。 (1996)。 Efficiency and efficacy of incandescent lamps。American Journal of Physics。 64。 649-654。 10.1119/1.18260。 2、http://www.yuvaengineers.com/end-of-incandescent-light-bulb/ 3、https://www.gov.cn/zwgk/2011-11/14/content_1992476.htm 4、https://edisontechcenter.org/Fluorescent.html 5、https://myelectricsparks.com/light-emitting-diode/ 6、Kusuma, P。, Pattison, P。 M。, & Bugbee, B。 (2020)。 From physics to fixtures to food: current and potential LED efficacy。 Horticultureresearch,7,56。https://doi.org/10.1038/s41438-020-0283-7 策划:刘颖 张超 李培元 杨柳 审核:中科院物理研究所研究员 魏红祥
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