明亮的火光、燈光點(diǎn)亮了我們的黑夜，同時(shí)向好奇的我們提出了一個(gè)個(gè)的問(wèn)題：光是從哪里來(lái)的？有人回答??光源。然而今天要探討的是：光源中的光來(lái)自于哪里？光源為什么能發(fā)光？為什么有熱發(fā)光、還有冷光、二者有什么區(qū)別？光源中的光是怎樣形成的？
幾十萬(wàn)年前，人類發(fā)明了用火，橙紅色的火光伴隨著人類進(jìn)入了今天的文明世界，“火為什么是紅色的？”這是幾千年來(lái)一個(gè)恒古的話題。
早年冬天，家里燒著煤爐，煤燒紅了、發(fā)出橙紅色的光，鐵絲也能被燒紅、玻璃能燒紅、石頭也能燒紅，自然物質(zhì)如巖漿、鐵水、火焰、燈絲等在熱到一定的程度都會(huì)發(fā)光。人們總結(jié)出：熱物質(zhì)能夠發(fā)光。為什么所有的物質(zhì)加熱到高溫時(shí)就能夠發(fā)出紅光？熱怎樣使物質(zhì)發(fā)光？熱發(fā)的光來(lái)自哪里？
現(xiàn)代研究表明，光是電磁波，紅光、橙光、藍(lán)光分別是不同頻率的電磁波。而物質(zhì)是由原子組成，原子是由原子核與核外運(yùn)轉(zhuǎn)著的電子組成。物質(zhì)中輻射出的電磁波是哪里來(lái)的？是原子中的、還是電子發(fā)出的？電磁波難道會(huì)無(wú)中生有？
我們?cè)谔接懘判詴r(shí)重溫了奧斯特實(shí)驗(yàn)，回顧了直流導(dǎo)線的周圍的小磁針發(fā)生偏轉(zhuǎn)，探究其微觀機(jī)理是：電流接通磁針偏轉(zhuǎn)，磁場(chǎng)來(lái)自于電子的運(yùn)動(dòng)；大自然告訴我們：電子的運(yùn)動(dòng)（直線運(yùn)動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)）伴生著磁場(chǎng)。
電子的繞核轉(zhuǎn)動(dòng)及在導(dǎo)線內(nèi)的流動(dòng)所伴生的電磁波是磁場(chǎng)。如果電子振動(dòng)、使伴生的電磁脫離、離開(kāi)場(chǎng)源，伴生著的磁場(chǎng)就不能連續(xù)，于是就成為一斷斷輻射的電磁波，形成物質(zhì)的發(fā)光。由此，大自然告訴我們：光是脫離了場(chǎng)源的磁；發(fā)光與電子息息相關(guān)、發(fā)光是來(lái)自于電子的振動(dòng)。
于是，光是從哪里來(lái)的？光是怎樣形成的？就有了答案：電子在運(yùn)動(dòng)時(shí)伴生著電磁場(chǎng)，電子的振動(dòng)使伴生的電磁脫離場(chǎng)源形成輻射的電磁波,光的形成就是由于電子振動(dòng)所輻射的電磁波。
上述物質(zhì)，巖漿、鐵水、火焰、燈絲等高溫物質(zhì)的發(fā)光，就是來(lái)自于高溫物質(zhì)核外電子躍遷運(yùn)動(dòng)，躍遷運(yùn)動(dòng)是核外電子在能級(jí)間的跳動(dòng)，是一種振動(dòng)，所以能夠伴生、輻射電磁波。熱發(fā)光就是高溫物質(zhì)的核外電子躍遷所輻射的電磁波。所發(fā)光的頻率就是價(jià)電子躍遷時(shí)的運(yùn)轉(zhuǎn)速率，于是也就有了溫度高-物質(zhì)熱發(fā)光的頻率高的自然現(xiàn)象。
1855年，科學(xué)家R.W.本生團(tuán)隊(duì)發(fā)明了一種溫度很高的本生燈，不同的物質(zhì)在極高溫下發(fā)出炫麗的光，經(jīng)過(guò)分光鏡，不同元素各自呈現(xiàn)出各自不同的光譜-原子光譜，這就是著名的光譜實(shí)驗(yàn)。
原子光譜反映了原子內(nèi)價(jià)電子運(yùn)動(dòng)的信息。鈉光譜是兩條明亮的黃線；鉀的光譜是一條突出的紫色線；?光譜是兩條淺藍(lán)色的線。鈉光譜的信息告訴我們：兩條線-表明鈉原子有兩個(gè)價(jià)電子；黃顏色-表明了鈉元素在本生燈中價(jià)電子的速率與黃色光波頻率相同。同理：鉀的光譜是一條線-表明鉀原子只有一個(gè)價(jià)電子、紫色線-表明鉀元素在本生燈中價(jià)電子的速率與紫色光波頻率相同……如此類推。光譜實(shí)驗(yàn)清晰無(wú)誤地告訴我們：熱發(fā)光是由價(jià)電子躍遷振動(dòng)所發(fā)出的電磁波輻射。
固體物理所謂的聲子理論（原子的振動(dòng)）是值得商榷的。
除了實(shí)驗(yàn)還有理論-麥克斯韋方程組，方程表明：電場(chǎng)強(qiáng)度等于磁場(chǎng)波變化率的負(fù)值，于是建立了變化的磁場(chǎng)、電場(chǎng)、電磁波及電流四者數(shù)學(xué)聯(lián)系。方程組闡明：磁場(chǎng)、電場(chǎng)、電磁波的物理根源都是來(lái)自電子的運(yùn)動(dòng)。那么，光-電磁波的物理根源當(dāng)然是來(lái)自電子的運(yùn)動(dòng)-振動(dòng)。光源中的光來(lái)自于電子的振動(dòng)，電子振動(dòng)所伴生的電磁波輻射形成了光波，電子振動(dòng)的頻率構(gòu)成了光波的頻率，大量電子振動(dòng)的電磁波輻射形成了光源。
電子是如何發(fā)生振動(dòng)呢？致使電子振動(dòng)，有以下幾種情況：當(dāng)物質(zhì)溫度高、環(huán)境溫度較低時(shí)，物質(zhì)的電子發(fā)生的躍遷運(yùn)動(dòng)，躍遷是核外電子在高能級(jí)輻射出電磁波后向低能級(jí)的跳動(dòng)，是一種振動(dòng)，所輻射出的電磁波頻率與高能轉(zhuǎn)速相同，也就是發(fā)出與相應(yīng)頻率的光。此外，電子在強(qiáng)磁場(chǎng)、高壓電場(chǎng)作用下或在半導(dǎo)體中也會(huì)發(fā)生振動(dòng)，電子振動(dòng)所的輻射電磁波的宏觀表現(xiàn)是不同頻率的光。
于是可以歸納，電子振動(dòng)發(fā)光由以下幾種原因所引發(fā)。
一是熱發(fā)光，是高溫物質(zhì)的價(jià)電子由高能級(jí)向低能級(jí)躍遷時(shí)所引發(fā)的振動(dòng)。這種振動(dòng)需要物質(zhì)的溫度大大高于環(huán)境的溫度，價(jià)電子速率很高、達(dá)到可見(jiàn)光的頻率，核外電子躍遷輻射才能發(fā)出紅光。我們把這種高溫物質(zhì)核外電子躍遷輻射所形成發(fā)光的光源叫熱光源。
（當(dāng)然，物質(zhì)的溫度略高于環(huán)境的溫度也可以發(fā)生紅外線輻射，如身體體溫輻射，熱饅頭的輻射。溫度較低的周邊物質(zhì)的核外電子則可以接收輻射，提高自身的價(jià)電子速率??溫度）
二是電子在強(qiáng)磁場(chǎng)或強(qiáng)電場(chǎng)的作用下引發(fā)的受激振動(dòng)，這樣的電子振動(dòng)發(fā)光與溫度無(wú)關(guān)、與核外電子運(yùn)轉(zhuǎn)速率無(wú)關(guān)。
三是在半導(dǎo)體材料中，由于摻雜，使得有的價(jià)電子沒(méi)有合適的歸屬，發(fā)生振動(dòng)、發(fā)光。將來(lái)，我們還可能制作不同的發(fā)光器材、發(fā)光物質(zhì)，其本質(zhì)仍然是電子的振動(dòng)，我們把這種不需要高溫而使電子振動(dòng)所形成輻射光的光源叫冷光源。
熱光源 熱光源是高溫物質(zhì)核外電子躍遷運(yùn)動(dòng)所伴生的電磁波輻射。
當(dāng)物質(zhì)溫度高于環(huán)境溫度，其核外電子的速率升高，速率較高的核外電子就發(fā)生躍遷運(yùn)動(dòng)（繞核運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)降低速率的振動(dòng)），向外輻射一定頻率的電磁波。物質(zhì)的溫度越高，核外電子的速率就高，電子躍遷所輻射的頻率就越高。于是我們就看到了熱物質(zhì)的發(fā)光。如：火光、燭光、白熾燈的燈光，以及前述鋼鐵、玻璃、石頭等燒紅時(shí)的發(fā)光。
火光為什么是紅的？因?yàn)檫@些物質(zhì)的溫度在800-1000左右，核外電子的速率在紅色、橙色頻率附近，所以核外電子躍遷時(shí)輻射出橙紅色的光。而白熾燈的燈絲溫度在2500，其光色顯得白亮（其中多了橙、黃、綠的成分）。熱光源一般是多種頻率共存的，除了橙光、紅光，還有大量的紅外波、微波，這些波我們的眼睛看不見(jiàn)，所以熱光源的發(fā)光效率很低（白熾燈的發(fā)光效率僅有7%）。
冷光源 冷光源是在電場(chǎng)、磁場(chǎng)作用下電子受激振動(dòng)所伴生的高頻率電磁波。這里，電子是指自然界游離電子及原子的核外層電子（非躍遷運(yùn)動(dòng)）。
因?yàn)槔涔庠吹陌l(fā)光是電子在磁場(chǎng)或電場(chǎng)作用下發(fā)生振動(dòng)所伴生的電磁波，這種高頻振動(dòng)與電子繞核運(yùn)轉(zhuǎn)的速率無(wú)關(guān)、與物質(zhì)的溫度無(wú)關(guān)，僅僅與電子振動(dòng)的頻率、振幅相關(guān)，發(fā)光時(shí)不會(huì)伴有強(qiáng)烈的發(fā)熱，不會(huì)伴有大量的紅外波、微波。所以發(fā)光效率高，能節(jié)約大量的能源。如：日光燈、節(jié)能燈、極光、螢火蟲(chóng)的發(fā)光。
半導(dǎo)體發(fā)光：在半導(dǎo)體材料（硅）中，硅原子的4個(gè)價(jià)電子進(jìn)行價(jià)和運(yùn)轉(zhuǎn)，平順、穩(wěn)定，構(gòu)成硅晶體。由于摻雜，在晶體中摻雜了不同價(jià)、不同速率的原子，嵌入晶體中，使得有的價(jià)電子沒(méi)有合適的歸屬。在電流通過(guò)半導(dǎo)體時(shí)，運(yùn)動(dòng)的電荷讓晶體內(nèi)的電子運(yùn)動(dòng)更加紊亂、電子在擁擠、等待時(shí)發(fā)生振動(dòng)、發(fā)光，形成了（LED）光源。
日光燈：日光燈的光是在高電壓電場(chǎng)作用下，使得水銀蒸汽和氖氣混合氣體的表層電子發(fā)生強(qiáng)烈的振動(dòng)，電子的高頻振動(dòng)伴生著紫外線（高頻電磁波），紫外線在管壁的熒光物質(zhì)作用下，形成了近似日光的明亮燈光。
由于是表層電子發(fā)生振動(dòng)所伴生的紫外電磁波，并沒(méi)有太大地提高氣體的核外電子繞核運(yùn)轉(zhuǎn)的速率，所以氣體的溫度沒(méi)有大幅度的升高，只是在電子在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的振動(dòng)使得原子有一些保護(hù)性的升溫（約50），所以人們把日光燈叫做冷光源，其發(fā)光效率較高。
極光：極光是在地球兩極附近大自然所發(fā)出的彩色天光。極光的發(fā)生一是在地球兩極，磁力線密集、地磁場(chǎng)較強(qiáng)；二是在100至300公里的高空電離層游離電子密集，電子在電離層電場(chǎng)與地球磁場(chǎng)相互作用下，電子發(fā)生激烈振動(dòng)而伴生的電磁波。極光是冷光，極光的發(fā)生與高空電場(chǎng)、電子流運(yùn)動(dòng)的方向、速度與地球磁力線的相互作用相關(guān)。所以極光能夠呈現(xiàn)多種頻率、絢麗多彩，并能發(fā)生流光溢彩的色彩變換。
今后，人們能模擬極光形成原理，利用磁場(chǎng)與電子流相互作用，使電子振動(dòng)發(fā)光，制成發(fā)光效率很高的人造極光光源；可以模擬螢火蟲(chóng)，制造生物光；也能夠以電子振動(dòng)-物質(zhì)發(fā)光的原理，制作成更多的人造光源。
本文來(lái)自：逍遙右腦記憶 http://m.douzifanli.com/gaozhong/1112788.html
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