2014年的諾貝爾物理學獎讓發光二極管成爲了公衆關心的焦點。近些年來，從發光二極管提供背光的液晶顯示器到由其提供照明的台燈，這種新型的照明方式正在越來越多地出現在我們的生活中。那麽，發光二極管與傳統照明方式相比，有哪些優點，它又是如何爲我們提供照明的呢？

 

白熾：並不高明的發光

在了解發光二極管的工作原理以及它爲什麽更加節能之前，我們不妨來看一下傳統的白熾燈，也就是俗稱的電燈泡是如何發光的。

如果我告訴你，我們身邊的所有物體都在發光，你可能會覺得非常驚訝。是呀，常識告訴我們，天空中只有恒星能發光，連月亮都是反射光；生活中除了電燈、蠟燭等，沒看見其他的物體也在發光呀？

科學家告訴我們，任何物體只要它的溫度高于絕對零度，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。電磁波的波長從幾千千米到不足1納米，跨越了巨大的範圍，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，這就是通常所說的可見光。所以我們可以說，包括我們自身在內的所有物體都在發光。

然而一個物體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波長附近，而這個波長的長短與物體的溫度成反比。對于溫度在室溫附近的物體來說，它們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。這就是我們看不見這些物體在發光的原因。

隨著物體溫度一步步升高，它的熱輻射不僅會變得更加強烈，而且發出的電磁波也逐漸變得以可見光爲主，因此這些原本看不見發光的物體會變得明亮起來。例如電爐絲加熱到幾百攝氏度時會發紅，就是因爲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，那麽可見光中波長更短的黃、綠、藍等顔色的光也被大量釋放出來。不同波長的可見光混合在一起，我們就看到了與陽光類似的白光，這就是白熾現象。在白熾燈出現之前，人們通過燃燒柴火、燈油或者各種蠟來照明，實際上也是在利用白熾現象，只不過這時候利用的是化學反應産生的高溫；而白熾燈則是通過電流將鎢絲加熱到2,000攝氏度以上，從而産生大量的可見光。

 

白熾現象只是物體被加熱時的一個“副産品”，而特地讓白熾燈發光要消耗很大的電能，才能把燈絲加熱到很高的溫度，這並不是很劃算。由于所有熱輻射發出的電磁波都會覆蓋一個寬廣的波長範圍，白熾燈在發出可見光的同時還會發出大量的紅外線、紫外線等，它們對提供照明毫無幫助，卻消耗了大量的能量。打個比方，某天你到食堂想買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，只要饅頭；大師傅說不行，饅頭和米飯只能這樣搭配著賣。爲了保證買到足夠的饅頭，你只好花200元買來10元的饅頭，多花了190元錢。白熾燈的工作原理就像這樣，輸入的電能只有5%左右能夠被轉化成可見光，其余都變成熱能白白浪費掉了。

白熾燈極低的效率不僅浪費大量的電能，産生的熱量也帶來了很多令人頭疼的問題。這些熱量傳遞到環境中，可能會讓使用者感到不舒服，還會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變得非常活潑，這意味著燈絲很容易損壞。盡管現代的白熾燈使用熔點極高的鎢絲，並將燈泡內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，一般不超過1,000小時。也就是說，哪怕燈泡質量再好，每天只用提供3-5小時的照明，一年左右也必須更換了。

因此，盡管白熾燈爲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，白熾燈將逐漸從人們的視野中消失。那麽誰來繼續爲我們提供照明呢？那就是發光原理截然不同的冷發光。

效率更高的冷發光

我們知道，如果用腳去踢一個放在地上的足球，那麽每次足球飛起的速度都不盡相同，這是因爲我們很難保證每次用力相同。然而如果讓這個足球從二樓陽台上自由落下，那麽它總會以相同的速度落到地面。這是因爲我們把足球從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。當足球從二樓落下時，增加的勢能釋放出來，賦予了足球速度。由于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系起來的。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，高樓的每一個樓層被稱爲能級；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，總是從能量最高的“一樓”開始，逐漸占據上面的樓層。當全部的電子入住完畢時，大樓裏還會有許多樓層空著。假設某個分子中的電子占據了大樓的1~10層，如果我們把原本處在下層的電子移動到上一層，那麽電子在這個過程中也增加了能量。如果讓這個電子回到下層，那麽多余的能量也會被釋放出來，只不過不是增加速度，而是釋放出電磁波。如果電磁波的波長剛好在400~800納米這個範圍，那麽電子在這個移動過程中就發出了可見光。演唱會上，歌迷手中揮動的螢光棒就是一個典型的例子。螢光棒買來時並不會發光，一旦我們將它彎曲，螢光棒內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能量低的狀態進入能量高的狀態，當它們再次回到能量低的狀態時，光就被釋放出來了。

 

圖2 冷發光的一種常見的原理：電子先從外界吸收能量，從能量較低的狀態進入能量較高的狀態；

隨後返回能量較低的狀態，將多余的能量以可見光的形式放出。

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爲冷發光。冷發光並不需要像白熾燈那樣將物體加熱到很高的溫度，因此對能量的利用率自然更高一些。冷發光還有一個獨特之處，那就是一般不會像白熾發光那樣覆蓋一個很廣的波長範圍，而是集中于某一特定的波長。例如一根黃色的螢光棒絕不會發出紅光或者藍光，更不會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于白熾發光的一個重要原因。

 

熒光燈：冷發光的典範

前面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，我們也可以利用光來給電子提供能量。例如把一張鈔票放在紫外燈下，我們會發現有的區域發出藍光，這是因爲這些區域裏某些物質的電子能夠吸收紫外線的能量，從而産生了冷發光。這樣由光提供能量的冷發光被稱爲熒光或者磷光，而熒光燈就是利用了這一原理。

熒光燈燈管的內壁塗有一層熒光粉，兩端是鎢制燈絲，燈管中添加少量的汞，並充入氩氣等惰性氣體。電路接通後，電流流經燈絲，大量的電子從燈絲中釋放出來。這些電子與燈絲中氩氣的原子發生激烈的碰撞，使得氩原子中的一些電子逃逸出來；而氩原子自己則帶上正電，變成了氩離子。這些電子和氩離子從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電子和氩離子發生碰撞。碰撞的結果，大量的紫外線從汞蒸汽中被釋放出來。熒光粉吸收紫外線的能量，隨即産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爲光能。

由于依靠冷發光原理提供照明，熒光燈的效率要大大高于白熾燈，可以將20-25%的電能轉化爲光能。熒光燈的使用壽命也大大長于白熾燈，理論上至少可以持續提供10,000小時的照明。不過人們仍然不滿足這樣的數字，于是又開發了另一種借助冷發光原理的燈具——發光二極管。（未完待續）

【參考文獻】

[1] http://cse.ssl.berkeley.edu/bmendez/ay10/2002/notes/lec8.html

[2] Dan MacIsaac, Gary Kanner and Graydon Anderson, “Basic physics of the incandescent lamp (lightbulb)”, The Physics Teacher, 1999, 37, 520

[3] Colin J. Humphreys, “Solid-State Lighting”, MRS Bulletin, 2008, 33, 459

[4] 熒光和磷光都是電子吸收光的能量産生的冷發光現象。二者的具體原理有所區別，在許多場合並不做嚴格區分。