2014年的諾貝爾物理學獎讓發(fā)光二極管成為了大眾關懷的焦點。近些年來，從發(fā)光二極管提供背光的液晶顯示器到由其提供照明的臺燈，這種新型的照明方法正在不斷添加地呈現(xiàn)在咱們的日子中。那么，發(fā)光二極管與傳統(tǒng)照明方法比較，有什么優(yōu)點，它又是如何為咱們提供照明的呢？

  白熾：并不高超的發(fā)光

  在了解發(fā)光二極管的作業(yè)原理以及它為什么愈加節(jié)能之前，咱們不妨來看一下傳統(tǒng)的白熾燈，也即是俗稱的電燈泡是如何發(fā)光的。

  假如我通知你，咱們身邊的一切物體都在發(fā)光，你可能會覺得十分驚訝。是呀，知識通知咱們，天空中只需恒星能發(fā)光，連月亮都是反射光；日子中除了電燈、蠟燭等，沒看見其他的物體也在發(fā)光呀？

  科學家通知咱們，任何物體只需它的溫度高于{jd1}零度，就無時無刻不在以電磁波的形式向外界散發(fā)能量，這叫熱輻射。電磁波的波長從幾千千米到缺乏1納米，跨過了巨大的規(guī)模，但是只需400-800納米這很窄的一段才能被咱們的雙眼所感知，這即是通常所說的可見光。所以咱們能夠說，包括咱們本身在內的一切物體都在發(fā)光。

  然而一個物體宣布的電磁波并不是均勻地掩蓋一切的波長，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。關于溫度在室溫附近的物體來說，它們宣布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。這即是咱們看不見這些物體在發(fā)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愈加激烈，并且宣布的電磁波也逐步變得以可見光為主，因而這些本來看不見發(fā)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(fā)紅，即是由于溫度升高使得紅光替代了紅外線，在熱輻射中占據(jù)了支配位置。假如溫度繼續(xù)升高到幾千攝氏度，那么可見光中波長更短的黃、綠、藍等色彩的光也被很多釋放出來。不一樣波長的可見光混合在一同，咱們就看到了與陽光相似的白光，這即是白熾表象。在白熾燈呈現(xiàn)之前，人們經過燃燒柴火、燈油或許各種蠟來照明，實際上也是在運用白熾表象，只不過這時候運用的是化學反應產生的高溫；而白熾燈則是經過電流將鎢絲加熱到2，000攝氏度以上，然后產生很多的可見光。

  圖1 不一樣溫度的物體的熱輻射的比較，曲線由上至下分別是溫度為15，000K（0K對應-273.15攝氏度）的恒星、溫度為5，800K的恒星（太陽）、溫度為3，000K的恒星和溫度為310K的人體可見物體。橫縱坐標分別為波長（單位為納米）和熱輻射的相對強度，平行于縱坐標的窄色帶表示可見光的規(guī)模。由此可見物體溫度有必要滿足高才會宣布很多的可見光。
白熾表象僅僅物體被加熱時的一個“副產品”，而特地讓白熾燈發(fā)光要耗費很大的電能，才能把燈絲加熱到很高的溫度，這并不是很劃算。由于一切熱輻射宣布的電磁波都會掩蓋一個寬廣的波長規(guī)模，白熾燈在宣布可見光的同時還會宣布很多的紅外線、紫外線等，它們對提供照明毫無協(xié)助，卻耗費了很多的能量。打個比如，某天你到食堂想買10元的饅頭，大師傅卻給你5毛的饅頭和9.5元的米飯。你說我今日不要米飯，只需饅頭；大師傅說不行，饅頭和米飯只能這樣搭配著賣。為了保證買到滿足的饅頭，你只好花200元買來10元的饅頭，多花了190元。白熾燈的作業(yè)原理就像這樣，輸入的電能只需5%擺布能夠被轉化成可見光，其余都變成熱能白白糟蹋掉了。

  白熾燈極低的功率不僅糟蹋很多的電能，產生的熱量也帶來了很多令人頭疼的疑問。這些熱量傳遞到環(huán)境中，可能會讓運用者感到不舒服，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，帶來很大的火災危險。別的，在幾千攝氏度的高溫下，許多常溫下很穩(wěn)定的物質都會變得十分生動，這意味著燈絲很簡單損壞。雖然現(xiàn)代的白熾燈運用熔點極高的鎢絲，并將燈泡內部抽成真空或許充入惰性氣體防止鎢被氧化，白熾燈的運用壽命仍然不長，通常不超過1，000小時。也即是說，即使燈泡質量再好，每天只用提供3-5小時的照明，一年擺布也有必要更換了。

  因而，雖然白熾燈為現(xiàn)代文明的進步做出了不可磨滅的貢獻，仍然無法避免退出歷史舞臺的命運。當前，各國政府都現(xiàn)已將淘汰普通白熾燈列上了日程，將來幾年時間內，白熾燈將逐步從人們的視界中消失。那么誰來繼續(xù)為咱們提供照明呢？那即是發(fā)光原理截然不一樣的冷發(fā)光。

  功率更高的冷發(fā)光

  咱們知道，假如用腳去踢一個放在地上的足球，那么每次足球飛起的速度都不盡一樣，這是由于咱們很難保證每次用力一樣。然而假如讓這個足球從二樓陽臺上自由落下，那么它總會以一樣的速度落到地上。這是由于咱們把足球從一樓帶到二樓的進程中克服了重力的招引，足球添加了勢能。當足球從二樓落下時，添加的勢能釋放出來，賦予了足球速度。由于樓層的高度是固定的，添加的勢能也是固定的，足球落地時的速度tr也是一樣的。

  咱們還知道，原子是由原子核和核外的電子構成的，原子構成分子是這些電子相互作用把不一樣的原子維系起來的。不管在原子還是分子中，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為能級；樓層越高，對應的能量也就越高。通常來說，電子入住這樣一棟高樓時，老是從能量{zg}的“一樓”開始，逐步占據(jù)上面的樓層。當悉數(shù)的電子入住結束時，大樓里還會有許多樓層空著。假設某個分子中的電子占據(jù)了大樓的1~10層，假如咱們把本來處在基層的電子移動到上一層，那么電子在這個進程中也添加了能量。假如讓這個電子回到基層，那么剩余的能量也會被釋放出來，只不過不是添加速度，而是釋放出電磁波。假如電磁波的波長剛好在400~800納米這個規(guī)模，那么電子在這個移動進程中就宣布了可見光。演唱會上，歌迷手中揮動的螢光棒即是一個典型的比如。螢光棒買來時并不會發(fā)光，一旦咱們將它彎曲，螢光棒內部本來被分離隔的幾種化學物質混合到一同發(fā)作化學反應；反應釋放出的能量讓某些電子從能量低的狀況進入能量高的狀況，當它們再次回到能量低的狀況時，光就被釋放出來了。
正在發(fā)光的熒光棒并不像點亮的白熾燈那樣棘手，因而像螢光棒這樣的發(fā)光通常被稱為冷發(fā)光。冷發(fā)光并不需要像白熾燈那樣將物體加熱到很高的溫度，因而對能量的運用率tr更高一些。冷發(fā)光還有一個獨特之處，那即是通常不會像白熾發(fā)光那樣掩蓋一個很廣的波長規(guī)模，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宣布紅光或許藍光，更不會宣布對照明毫無協(xié)助的紅外線和紫外線，這也是冷發(fā)光對能量的運用率高于白熾發(fā)光的一個重要原因。

  圖3 螢光棒的發(fā)光是典型的冷發(fā)光。通常螢光棒只能宣布一種色彩的光，經過改變螢光棒中化學物質的構造能夠得到發(fā)不一樣色彩光的螢光棒。

  熒光燈：冷發(fā)光的典范

  前面提到的螢光棒是運用了化學反應讓電子進入高能量的狀況，咱們也能夠運用光來給電子提供能量。例如把一張票放在紫外燈下，咱們會發(fā)現(xiàn)有的區(qū)域宣布藍光，這是由于這些區(qū)域里某些物質的電子能夠吸收紫外線的能量，然后產生了冷發(fā)光。這樣由光提供能量的冷發(fā)光被稱為熒光或許磷光，而熒光燈即是運用了這一原理。

  熒光燈燈管的內壁涂有一層熒光粉，兩端是鎢制燈絲，燈管中添加少數(shù)的汞，并充入氬氣等惰性氣體。電路接通后，電流流經燈絲，很多的電子從燈絲中釋放出來。這些電子與燈絲中氬氣的原子發(fā)作激烈的磕碰，使得氬原子中的一些電子逃逸出來；而氬原子自己則帶上正電，變成了氬離子。這些電子和氬離子從燈管的一端移動到另一端，在移動進程中放出的熱量把液態(tài)汞變成了汞蒸汽；而進入到蒸汽中的汞原子也與電子和氬離子發(fā)作磕碰。磕碰的結果，很多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，隨即產生熒光或許磷光表象。這些物質宣布的不再是紫外線，而是可見光。這樣，經過幾道工序的互相配合，熒光燈就把電能轉化為光能。

  由于依靠冷發(fā)光原理提供照明，熒光燈的功率要大大高于白熾燈，能夠將20-25%的電能轉化為光能。熒光燈的運用壽命也大大善于白熾燈，理論上至少能夠繼續(xù)提供10，000小時的照明。不過人們仍然不滿足這樣的數(shù)字，所以又開發(fā)了另一種借助冷發(fā)光原理的燈具——發(fā)光二極管。