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灯,deng,deng,deng——大家注意,我要跃迁了
夜幕降临,华灯初上。城市慢慢进入了一天之中最悠闲的时候,车水马龙,万家灯火,霓虹漫射,现代人丰富的夜生活即将开始。丰富多彩的夜生活离不开的除了有火锅、烤串、小龙虾、啤酒(饮料、矿泉水,瓜子、花生、八宝粥)……还有在背后默默为我们提供照明的——“灯”。
灯光照亮漆黑的夜晚,带来光明,光明的背后,是原子发出的光子所谱就的种种光谱。从原始社会到现代文明,灯见证了人类的发展,灯的进化史,就是人类文明发展历程的缩影。
烛灯
Candle lamp
文明之初,原始人还过着茹毛饮血的生活,个个一副狠人模样。
然而,每当天色渐晚,白天的“狼灭”们都得乖乖回到部落里,听着外面此起彼伏的野兽吼叫声,提心吊胆地过自己的小日子。此时的大地上只有月光柔和的映照。
直到有一天,一场暴雨之中雷电击中树木,森林燃烧起来。大家都很害怕,但仍有几个人勇敢地靠近了火焰。他们发现,火焰不仅可以驱散夜晚的寒冷,还可以带来诱人的烤肉光明,使野兽退散[1][2]。
后面的事情大家都知道了。原始人学会了使用火和保存火种,并经过不断的探索,发明了“击石点火”和“钻木取火”的方法。
击石点火
钻木取火
据考证,早在四五十万年前人类就学会了使用天然火[3]。
也就是说,四五十万年前,我们的祖先就已经开始奔向没羞没臊的烧烤生活光明的幸福生活啦!
现代生活中,火焰承担着远比照明、烤肉等复杂得多的功能。然而,你有想过“火”到底是什么吗?
海绵宝宝:我没想过
显然,火显然不是固体和液体,而更像是气体。然而,气体在一定状态下会一直存在,但火却总会熄灭,这也说明火并不属于气体这一形态。
在对火焰的认知上,目前仍然存在着一定的分歧。
部分人认为火焰是一种等离子态或部分等离子态,木材和纸等燃料上燃烧的火焰一般仅有几百摄氏度,因而火焰的低温部分也并不符合等离子态等形态的特性[4][5]。
也有人认为火焰只是燃烧反应中的能量释放,因而也会随着燃料的不同而出现不同颜色的火焰[6][7]。
不论火焰是什么,用它来照明的灯烛早已随着电灯的发明而退出了历史舞台。只有在个别曼妙的夜晚,它还会摇曳着身姿,像以往一样,再次点亮浪漫的烛光晚餐。
白炽灯
Incandescent lamp
虽然我们不用像飞蛾一样扑火,但是人们对于光明的渴求从古至今都是十分地强烈。如果说搓火球点火照明是 xx 的浪漫,那么比起火焰这种来源不稳定,照亮程度有限的光源,白炽灯无疑是一个更合适更好的选择。关于白炽灯的最初发明具体是受到了什么现象的启发,目前已经基本不可考证。当然我们可以想象,一个人盯着一块烧得通红的铁块,在发着光,脑中浮现出白炽灯的模样。
图片来自网络
在小学课本里面介绍了爱迪生通过实验了几千种灯丝最后得到用碳化的棉线,可以持续照明几十个小时。但关于白炽灯的具体发明者其实另有其人,英国的斯旺就早于爱迪生制成碳丝灯泡,最后两个人因为专利原因,在英国打了很多场官司。官司打得久了,发现这样不太行,白炽灯市场竞争激烈,两个人最终合资组建电灯公司。
图片来自网络
白炽灯这么短命原因其实很明显,灯丝想要发光,必须要被加热到很高的温度。而这么高的温度,一来灯丝容易挥发,变细最终断掉;二来容易和灯泡里面的气体发生化学反应,影响发光。直至扩散泵的发明,人们可以得到更高的真空,才允许白炽灯的研究进入到实用领域。
图片来自 https://removeandreplace.com/2015/10/08/light-bulb-shapes-types-sizes/
关于灯泡的形状造成人们去医院的各种意外,什么灯泡放到嘴里拔不出来,想必大家都有所耳闻。因为每个人体质不同,这个行为十分危险。虽然我们日常见到的白炽灯都是那种圆圆的形状,也就是上图中的 A 型,但其实他还有很多其它的型号(糟糕的形状),比如常见的用在手电筒和车灯上的发射式的白炽灯,把灯丝向四面八方发射的光往前汇到一个方向上。其它各种形状也是出于类似的考虑,更合理地利用灯丝发出的光线。当然,所谓「颜值」就是正义,上述灯泡有的形状,也只是单纯为了好看……
日光灯
Fluorescent lamp
现在,生活中已经很难再看见白炽灯了,日光灯已经成为了家庭照明的主力军,说到这,小编不禁怀想起小时候在白炽灯下写作业的情景。
日光灯还有节能灯,其实要叫做“荧光灯”比较合适,下面来了解一下日光灯的发光原理,就知道为什么要叫做“荧光灯”了。
老式日光灯(带有镇流器和启辉器的) 来源:https://edisontechcenter.org
一根长长的白色玻璃管,是我们对日光灯最直接的印象,无法窥探内部构造的灯管里面,究竟有什么玄机?
如果有读者曾经不小心失手打碎过日光灯管,会发现,除了管壁上有一层白色粉末,内部空空如也,而玄机就在这白色粉末上。其实,除了白色粉末,日光灯管内部还充有少量低压氩气或氩氖混合气体以及汞蒸气。灯管两端有灯丝,给日光灯通上电后,灯丝发射出电子,电子会将管内的稀有气体变成等离子体并产生更多电子,而后电子碰撞汞原子,让汞原子跃迁到激发态。当激发态的汞原子回到基态时,就对外辐射出紫外线。如果没有灯管壁上的磷质荧光漆,那么这就是一盏可以用来杀菌消毒的紫外灯。管壁上的磷质荧光漆吸收紫外线进入激发态(对,又是激发态),立即退激发就发射出可见光,这就是我们看到的日光灯发射出来的白光啦。
汞原子光谱(可见光波段)来源:Wikipedia
如果更换磷质荧光漆的成分,就能获得表现不同颜色的灯管,比如得到超市里面卖卤食窗口的暖色日光灯管(好像暴露了什么)。
各种颜色的灯管 来源:https://edisontechcenter.org
如果给白炽灯和日光灯分光的话,会发现,日光灯得到的光谱是分立的,这可和连续的太阳光谱差太多了,叫做日光灯,真名不副实,嗯……所以,日光灯发出来的光,总是觉得没阳光自然。
给白炽灯和节能灯分光 来源:Wikipedia
节能灯和日光灯是一样的发光原理,都是荧光。有时候熄灯了,发现灯管上还有淡淡的余辉,那可不是灯坏了,那是还有部分磷质荧光漆处在激发态,正向外发出可见光呢。荧光其实也不神秘,如果你手头有一张人民币,还有一个可以发出紫外线的灯,用它照射纸币,就可以看到荧光构成的图案。
发光二极管
LED
其实除了上面几种常见的照明方式,还有一种叫做“LED”的光源,也就是平日经常说的“发光二极管”。
酷炫的LED
它是使用半导体的电致发光原理来产生光,电致发光是当电流或电场通过时材料发光的现象,这发生在电子通过材料并填充空穴时。通常是可以通过掺杂诸如”锗“或者”硅“等半导体材料来产生和控制空穴的数量。通过掺杂,可以在同一晶体中制造出两种不同类型的半导体材料,并将他们结合在一起,这两种半导体材料之间的边界就被称为pn结,pn结只允许电流以一个方向通过,这也就是他们被称为二极管的原因。LED就是使用pn结制成的,当电子通过一个晶体到达另一个晶体时,它们会填充空穴,进而发射光(光子)。而光的颜色由电子穿过半导体带隙所需要的能量决定。这其实也是半导体激光器的工作原理。[9]
LED
与白炽灯相比,LED有很多的优点:比如更低的能耗、更长的寿命、更好的物理稳定性和更小的尺寸等。不过与激光不同的是,从LED发出的光既不是单色的也不是相干的,但是对于人类视觉来说,在功能上是单色的。[10]
常见的发光二极管主要有两种:LED和OLED。LED就是上面说的二极管,OLED,也就是有机LED是由一层有机电致发光材料制成的,也就意味着它的成分含有碳。它一般使用聚合物或者”小分子“,OLED的主要优点是比传统LED更轻,并且可以做到更薄。
OLED
未来的OLED将允许更薄的电视机和计算机显示器,甚至是柔性屏幕中。不过,还是需要更加进一步的研究和探索。
人类历史上除了这四种主要的灯,还有许许多多其他的照明方法,但是无一例外,它们都与原子中的电子跃迁有关。以后,当你晚上吃着火锅还唱着歌,突然就被麻匪劫啦!别忘了,有一群原子在不知疲倦地跃迁,给你提供灯光……

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