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來源：蝌蚪五線譜
每天晚上，當夜幕降臨，我們已經習慣了打開家中的燈，用電來為我們的家“續(xù)費”光明。而你有沒有好奇，在小小的燈泡亮起的時候，里面究竟有什么故事在發(fā)生呢？白熾燈、節(jié)能燈、LED燈，冷光燈、暖光燈、各種顏色的燈……這些五花八門的燈具又有什么區(qū)別？
不過，無論你的家里裝的是什么燈，在它的微觀深處，都有著一群電子正在做著大型的集體運動——“跳水”。這是怎么回事？讓我們先從一個電子說起。
電子的 “跳水”
說起跳水運動，必須要有的設施就是跳臺。電子所在的“跳臺”，就是原子核外的電子軌道能級。
由于量子力學統治著微觀世界，在原子的尺度上，能量都是“量子化”的，也就是說，只有某些特定的數值可以取。電子就像小人國的精靈在皇室花園中央的多層噴泉里游泳——它可以在第一層，第二層，或者第三層……但它不能停在第一層和第二層的中間。
多層噴泉 來源：維基百科
噴泉的每一層叫做一個“能級”，有著它的代表能量。越靠近地面（原子核）的能級，能量越低，越遠離地面（原子核）的能級，能量越高。就好像在天池里游泳，是一種刺激的挑戰(zhàn)；而在地上的水坑游泳，只是輕松愜意的水上漂。
所以，一般的電子都傾向于留在更低的池子里游泳。只有當它們受到刺激，變得“興奮”，才會接受挑戰(zhàn)，轉移到更高的池子里。我們把電子的這種狀態(tài)叫做“激發(fā)態(tài)”，這是創(chuàng)造光的第一步。
接下來，更重要的事情發(fā)生了。在高池子游泳畢竟不是一件容易的事情，游累了的電子很快又要回到低池子里休息。這些電子去激發(fā)態(tài)，再從高能級回到低能級的“跳水”，就是量子力學中的重要概念——躍遷。
由于在高能級的電子具有的能量高，回到低能級后具有的能量變低，根據簡單的能量守恒原理，這其中多余的能量必然要有地方釋放掉。于是，這釋放出的能量就變成了光。每個光子的能量，就由出發(fā)和到達的兩個能級之間的能量差決定。
原子能級示意圖。這里的n代表著它的層數，綠色的點代表一個從第三層跳回到第二層的電子 來源：維基百科
所以，我們平日里看到的燈光，都是由很多很多個這樣的“跳水”的電子所產生的。那么，對于不同種類的燈，它們的發(fā)光原理又有什么區(qū)別呢？
白熾燈：混亂的集體跳
或許你的童年記憶里也有這樣的場景：夜晚暖色的燈光下，一家人坐在一起吃飯聊天，你好奇的眼睛抬頭看著燈泡里奇異形狀的燈絲出神……
白熾燈泡 來源：光華日報
這種可以看見燈絲的燈泡，就是燈泡中最原始的一種——白熾燈。白熾燈的燈絲是熔點很高的鎢絲，在發(fā)光時，它的溫度超過2000攝氏度。這樣的高溫激勵著燈絲里的電子去了高能級的激發(fā)態(tài)，而當它們再集體往下跳時，就能發(fā)出光了。
這樣的發(fā)光原理有點簡單粗暴——因為它僅僅是通過加熱把電子趕到更高的能級去，但沒有告訴它們要去哪，要怎么跳。于是，每一個電子隨機地從一層跳到另一層，場面一度十分混亂。
由于電子跳的層數五花八門，它們發(fā)出的光子具有各種不同的能量。對于cá c??c bóng ?á 37 t?光，普朗克已經為我們總結出了規(guī)律：每一個固定的能量都對應著一種固定的頻率，如果落在可見光范圍內，那就是一種固定的顏色；如果沒有，它就成為了耗散的能量，不能被用于照明。
光的能量、頻率與顏色之間的關系。能量越低，頻率越低，顏色越紅；能量越高，頻率越高，顏色越藍。如果能量比紅色更低或比藍色更高，發(fā)出的光人眼就不可見了。
而白熾燈的最大缺點就在這里，在這場亂七八糟的集體“跳水”中，大部分電子所發(fā)出的光，都不在可見光的范圍內，而是作為紅外熱輻射耗散了，不能為我們所用。這些被“浪費”掉的能量，竟然能高達總量的90%！
白熾燈光譜。有用的可見光只占左邊的一小部分，而右邊巨大的黑色山峰代表著，大部分能量都在不可見的紅外區(qū)域，化作熱輻射耗散掉了。 來源：Christopher S。 Baird
因此，為了節(jié)約能源，很多國家都已經禁止使用白熾燈。我國也自2011年提出了淘汰白熾燈的計劃，五年間，它們就已經全面退出市場。這昏黃而溫暖的燈光，已經成為專屬于我們兒時的“回憶殺”；對于再年輕一點的讀者來說，它可能已經是父母輩的傳說中存在的事物了。
熒光燈：精心設計的接力跳
大面積取代白熾燈地位的，就是我們所說的“節(jié)能燈”，也有人叫“日光燈”。實際上，根據原理，最準確的稱呼應該是“熒光燈”。熒光燈解決的最大問題，就是改變了白熾燈中電子亂跳的混亂場面，而是變成了有計劃的“接力跳”，讓更多的能量轉化為光。
各種各樣的熒光燈管 來源：維基百科
在熒光燈管內，充有汞和其它一些惰性氣體。燈管兩端的燈絲，可以看作一個放電管的兩極。當燈管通電，陰極的燈絲就開始發(fā)射電子。這些電子撞擊到燈泡內的汞原子時，第一棒的“跳水”開始了——汞原子內的電子受到激發(fā)，發(fā)生能級躍遷，發(fā)出一種具有特定能量的紫外線。
但紫外線也不是人眼可見的光，還會對人體造成傷害。還好，它們把“接力棒”交給了第二棒隊員——燈管表面的熒光材料的手中。汞原子產生的紫外線的頻率，恰好在熒光材料最適合吸收的頻段。熒光材料從紫外線吸收了能量，其中的電子再一次躍遷，而這一次它釋放的光卻大部分落在可見光的波段，變成了我們所看見的白色燈光。
紫外線燈管與套上熒光層后發(fā)白光的燈管 來源：EdisonTechCenter
在這樣精心設計的接力下，熒光燈將電能轉化為光能的效率達到了40%，比起白熾燈不到10%的效率，已經有了極大的提升。不過，無法避免的汞的毒性，成為了它的致命缺點，而能量損耗情況也沒有達到最理想的狀態(tài)。那么，還有沒有更好的選擇呢？
LED燈：跳臺也能“私人定制”
當然有更好的選擇，那就是LED——發(fā)光二極管。在之前的幾種燈里，“跳臺”的高度，也就是電子躍遷的能級差，完全取決于原子本身的性質，是人類無法控制的。而在LED燈里，人們卻可以cá c??c bóng ?á 37 t?自己設計出不同高度的“跳臺”，并讓電子按計劃在“跳臺”上“跳水”。
各種顏色的LED 來源：MyElectricSparks
LED是一種半導體材料做成的電子器件。半導體指的是介于導電與不導電之間的材料。像這種固體材料的能級結構，可以用“能帶”來表示，能帶之間的縫隙，決定了電子能不能自由通過。如果縫隙太大，如絕緣體，就好像要突然上到百米高空再跳下，根本不可能；如果沒有縫隙，如導體，則沒有躍遷，自然也不會發(fā)光。
絕緣體、半導體和導體的能帶示意圖。 來源：learnelectronicswithme.com
因此，介于中間的半導體成了做燈的最好選擇。這其中的能帶間隙，就是人們?yōu)殡娮愉佋O的新型“跳臺”。當電路接通，電子就會在電壓的誘導下跳下“跳臺”，釋放出光。
人們可以通過調整材料的化學成分，控制“跳臺”的高度。由于高度已經被固定在需要的范圍，避免了發(fā)出沒用的非可見光造成的能量損失，LED燈的發(fā)光效率又有了大幅度的提升，有80%-90%的能量都能夠轉化成光。而且，這也代表著，人們可以自己控制它發(fā)出光的顏色。
不同顏色的LED與對應的不同化學成分 來源：MyElectricSparks
正因為這么多優(yōu)越的性質，LED燈不僅被應用在普通的照明，還被用在電子設備顯示、景觀設計、汽車照明等各種地方，在未來，也有更多拓展的技術和應用等待被解鎖。
從白熾燈里混亂而熾熱的“集體狂歡”，到熒光燈里分工明確的“接力傳遞”，再到如今LED中精準高效的“定制跳臺”，點亮世界的科技，其實就是一部人類如何引導電子們更優(yōu)雅、更高效地“跳水”的歷史。
小小的量子躍遷，不僅照亮了我們的夜晚，更折射出物理學從理論走向應用的一個側面。當你打開燈時，不妨想象一下那億萬個正在為你獻上精彩“跳水表演”的電子精靈吧！（張一凡）
參考資料
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
策劃：劉穎 張超 李培元 楊柳
審核：中科院物理研究所研究員 魏紅祥
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