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生活中几种发光现象的基本物理原理及其比较

摘要：运用电磁波、热辐射等物理学知识对生活中常见的白炽灯的发光现象进行了解释，运用光子、电子、电磁波、能级、能带等物理学知识对生活中常见的荧光灯、LED的发光现象进行了解释，并最终对比了三种发光现象，得到了它们的不同。

关键词：光子、电磁波、白炽灯、频率、热辐射、能级、能带、荧光、荧光灯、PN结、LED.导语:生活中常见的人造光源有白炽灯、荧光灯与LED灯，那么这几种发光现象的原理是什么？它们之间又有什么不同呢？

一、背景知识：

1、光子：

原始称呼是光量子（light quantum），电磁辐射的量子，传递电磁相互作用的规范粒子，记为γ。其静止质量为零，不带电荷，其能量为普朗克常量和电磁辐射频率的乘积，E=hv，在真空中以光速c运行。

2、电磁辐射频率与颜色的关系：

上图为电磁波谱，当电磁波的波长在390～760nm范围内时，为肉眼可见的光。，由该式可得电磁波的频率与波长成反比，电磁辐射的频率也决定光的颜色。

二、白炽灯发光原理：

白炽灯的发光都是利用物体受热而发光，本质上是一种热辐射。最简单的白炽灯就是给灯丝导通足够的电流，灯丝发热至白炽状态，就会发出光亮。下面对热辐射及其规律做一些简单的介绍。

1、热辐射：

热辐射就是具有一定温度的物体向周围的空间辐射电磁波。当所辐射电磁波的频率处于可见光波段时，就是我们通常所见的热辐射发光现象。

上图是不同温度热辐射能量按波长的分布图，由此图可以看出：温度升高，曲线主峰向高频段移动，即热辐射能量向高频段集中。白炽灯的光之所以呈白色就是因为它辐射的辐射频率覆盖了可见光所有的频段。

2、日常用语中的白热化、红得发紫都可以用上面的规律来解释。

a、白热化：当温度升高，频率增加波长变短时，电磁辐射的分布曲线向左侧移动，当主波峰覆盖整个可见光频段时，发出白光。b、红的发紫：同a，当主波峰从红光段移动到紫光段时，由红光变为紫光。

三、荧光灯发光原理：

荧光管内充满了低压氩气或氩氖混合气体及水银蒸气，而在玻璃荧光管的内侧表面，则涂上一层磷质荧光漆，在灯管的两端设有由钨制成的灯丝线圈。当电源接通后，首先电流通过灯丝加热并释放出电子，电子会把管内气体变成等离子，并令管内电流加大，当两组灯丝间的电压超过一定值之后灯管开始产生放电, 使水银蒸气发放出253.7nm 及185nm波长的紫外线，荧光管内侧表面的磷质荧光漆会吸收紫外线，并释放出较长波长的可见光。

1、当荧光粉受到紫外线照射后，它的原子核周围有电子，电子运动具有能量，根据电子能量的大小我们可以划分出能级。

单原子能级

如图，当一个电子受到紫外线照射时（图1），受激吸收能量，由E1能级跃上E2能级（图2）。因为能量最低的状态最稳定，所以物体（粒子）趋于低能量状态。电子会自发的从E2回到E1，此时自发辐射电磁波（图3）。辐射电磁波的频率头能级的间隔（E2-E1）决定

2、实际荧光物质的能带是由许多能级构成的，能级之间的间隔不同，电磁辐射的主要波长成分也不同。

上图为荧光灯的电磁辐射能随波长分布图，可以看到，主要辐射波长在橙光与绿光的范围，所以荧光灯发白光。

四、LED的发光原理：

发光二极管是一种特殊的二极管。和普通的二极管一样，发光二极管由半导体PN结组成，在一块半导体上的不同区域用注入或搀杂等工艺形成P型半导体和N型半导体，在这两种半导体的交界面上产生PN结。与其它二极管一样，在P型一端加上较高电压，发光二极管中会有很大的电流流过；而加相反的电压电流则很小，可以认为不存在电流。第一种情况下，两种不同的载流子空穴和电子在电压作用下大量地从流向PN结的结区，空穴和电子相遇，就会复合。从能级的观点来看，这就是电子由较高能级跌落到较低的能级，同时释放出电磁波，当这些电磁波的频率在可见光波段时，就是我们通常所看到的LED发光现象。

下面简要地补充介绍一下半导体的能带、P型和N型半导体等概念。

单个原子中的电子具有能级，当这些原子大量聚集在一起形成晶体时，就出现了能带。所谓能带就是晶体中电子可以存在的一些能量状态，处在某能带上的电子具有相应的能量。此外存在一些能量状态，电子的能量不能达到这些能量，就形成了禁带。按照禁带的大小和能带的构，可以把晶体分为导体、半导体和绝缘体。

1、能带与晶体的分类：

由图可见，半导体的禁带较窄，所以满带中的电子容易跃上，在满带中形成空位。

2、P型、N型半导体与PN结：

N型半导体就是在纯净的硅晶体中掺入少量杂质磷元素（或锑元素），由于半导体原子（如硅原子）被杂质原子取代，磷原子外层的五个外层电子的其中四个与周围的半导体原子形成共价键，多出的一个电子几乎不受束缚，较为容易地成为自由电子。于是，N型半导体中就有了受约束较弱的电子，其导电性主要由这些电子提供。

P型半导体就是在纯净的硅晶体中掺入少量杂质硼元素（或铟元素），由于是只有三个外层电子的硼原子替代有四个外层电子的硅原子，所以会产生电子空位，即“空穴”，这个空穴可能吸引束缚电子来“填充”，使得硼原子成为带负电的离子。这样，这类半导体由于含有较高浓度的“空穴”（“相当于”正电荷），成为能够导电的物质。

将P型和N型半导体坐在同一块半导体晶体上，在两种半导体接触的区域就形成了PN结。如上图所示。

上面叙述的两种半导体在外加电场的情况下，会作定向运动。当电子遇到空穴，会发生复合。从能带的观点看就是电子从高能级跳到低等级，并释放出电磁能量。

五、比较：

1、由上面的原理分析我们可以得到三类发光现象在本质上的区别：即白炽灯为热致发光，荧光灯为光致发光，LED为电致发光。

2、热致发光和荧光现象在经典物理时代就被发现了，而LED发光是近代才出现的。热致发光可以部分的用经典物理解释，但对光的本质及发光原理的解释存在本质上的矛盾；但在量子理论出现后，人们才逐渐建立了一套完善的关于光和发光的理论，对他们的本质有了更进一步的认识。

参考文献：

1、光子-百度百科http://baike.baidu.com/view/9448.htm2、荧光灯-维基百科http://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%86%92%E5%85%89%E7%87%883、LED-维基百科 http://zh.wikipedia.org/zh-cn/%E7%99%BC%E5%85%89%E4%BA%8C%E6%A5%B5%E7%AE%A14、PN结-维基百科

http://zh.wikipedia.org/zh-cn/PN%E7%BB%93