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