【文章內容簡介】 進行了解釋，運用光子、電子、電磁波、能級、能帶等物理學知識對生活中常見的熒光燈、LED的發(fā)光現(xiàn)象進行了解釋，并最終對比了三種發(fā)光現(xiàn)象，得到了它們的不同。關鍵詞：光子、電磁波、白熾燈、頻率、熱輻射、能級、能帶、熒光、熒光燈、PN結、:生活中常見的人造光源有白熾燈、熒光燈與LED燈，那么這幾種發(fā)光現(xiàn)象的原理是什么？它們之間又有什么不同呢？一、背景知識：光子：原始稱呼是光量子（light quantum），電磁輻射的量子，傳遞電磁相互作用的規(guī)范粒子，記為γ。其靜止質量為零，不帶電荷，其能量為普朗克常量和電磁輻射頻率的乘積，E=hv，在真空中以光速c運行。電磁輻射頻率與顏色的關系：上圖為電磁波譜，當電磁波的波長在390～760nm范圍內時，為肉眼可見的光。，由該式可得電磁波的頻率與波長成反比，電磁輻射的頻率也決定光的顏色。二、白熾燈發(fā)光原理：白熾燈的發(fā)光都是利用物體受熱而發(fā)光，本質上是一種熱輻射。最簡單的白熾燈就是給燈絲導通足夠的電流，燈絲發(fā)熱至白熾狀態(tài)，就會發(fā)出光亮。下面對熱輻射及其規(guī)律做一些簡單的介紹。熱輻射：熱輻射就是具有一定溫度的物體向周圍的空間輻射電磁波。當所輻射電磁波的頻率處于可見光波段時，就是我們通常所見的熱輻射發(fā)光現(xiàn)象。上圖是不同溫度熱輻射能量按波長的分布圖，由此圖可以看出：溫度升高，曲線主峰向高頻段移動，即熱輻射能量向高頻段集中。白熾燈的光之所以呈白色就是因為它輻射的輻射頻率覆蓋了可見光所有的頻段。日常用語中的白熱化、紅得發(fā)紫都可以用上面的規(guī)律來解釋。a、白熱化：當溫度升高，頻率增加波長變短時，電磁輻射的分布曲線向左側移動，當主波峰覆蓋整個可見光頻段時，發(fā)出白光。b、紅的發(fā)紫：同a，當主波峰從紅光段移動到紫光段時，由紅光變?yōu)樽瞎狻Ｈ?、熒光燈發(fā)光原理：熒光管內充滿了低壓氬氣或氬氖混合氣體及水銀蒸氣，而在玻璃熒光管的內側表面，則涂上一層磷質熒光漆，在燈管的兩端設有由鎢制成的燈絲線圈。當電源接通后，首先電流通過燈絲加熱并釋放出電子，電子會把管內氣體變成等離子，并令管內電流加大，當兩組燈絲間的電壓超過一定值之后燈管開始產生放電, 及185nm波長的紫外線，熒光管內側表面的磷質熒光漆會吸收紫外線，并釋放出較長波長的可見光。當熒光粉受到紫外線照射后，它的原子核周圍有電子，電子運動具有能量，根據(jù)電子能量的大小我們可以劃分出能級。單原子能級如圖，當一個電子受到紫外線照射時（圖1），受激吸收能量，由E1能級躍上E2能級（圖2）。因為能量最低的狀態(tài)最穩(wěn)定，所以物體（粒子）趨于低能量狀態(tài)。電子會自發(fā)的從E2回到E1，此時自發(fā)輻射電磁波（圖3）。輻射電磁波的頻率頭能級的間隔（E2E1）決定實際熒光物質的能帶是由許多能級構成的，能級之間的間隔不同，電磁輻射的主要波長成分也不同。上圖為熒光燈的電磁輻射能隨波長分布圖，可以看到，主要輻射波長在橙光與綠光的范圍，所以熒光燈發(fā)白光。四、LED的發(fā)光原理：發(fā)光二極管是一種特殊的二極管。和普通的二極管一樣，發(fā)光二極管由半導體PN結組成，在一塊半導體上的不同區(qū)域用注入或攙雜等工藝形成P型半導體和N型半導體，在這兩種半導體的交界面上產生PN結。與其它二極管一樣，在P型一端加上較高電壓，發(fā)光二極管中會有很大的電流流過；而加相反的電壓電流則很小，可以認為不存在電流。第一種情況下，兩種不同的載流子空穴和電子在電壓作用下大量地從流向PN結的結區(qū)，空穴和電子相遇，就會復合。從能級的觀點來看，這就是電子由較高能級跌落到較低的能級，同時釋放出電磁波，當這些電磁波的頻率在可見光波段時，就是我們通常所看到的LED發(fā)光現(xiàn)象。下面簡要地補充介紹一下半導體的能帶、P型和N型半導體等概念。單個原子中的電子具有能級，當這些原子大量聚集在一起形成晶體時，就出現(xiàn)了能帶。所謂能帶就是晶體中電子可以存在的一些能量狀態(tài)，處在某能帶上的電子具有相應的能量。此外存在一些能量狀態(tài)，電子的能量不能達到這些能量，就形成了禁帶。按照禁帶的大小和能帶的構，可以把晶體分為導體、半導體和絕緣體。能帶與晶體的分類：由圖可見，半導體的禁帶較窄，所以滿帶中的電子容易躍上，在滿帶中形成空位。P型、N型半導體與PN結：N型半導體就是在純凈的硅晶體中摻入少量雜質磷元素（或銻元素），由于半導體原子（如硅原子）被雜質原子取代，磷原子外層的五個外層電子的其中四個與周圍的半導體原子形成共價鍵，多出的一個電子幾乎不受束縛，較為容易地成為自由電子。于是，N型半導體中就有了受約束較弱的電子，其導電性主要由這些電子提供。P型半導體就是在純凈的硅晶體中摻入少量雜質硼元素（或銦元素），由于是只有三個外層電子的硼原子替代有四個外層電子的硅原子，所以會產生電子空位，即“空穴”，這個空穴可能吸引束縛電子來“填充”，使得硼原子成為帶負電的離子。這樣，這類半導體由于含有較高濃度的“空穴”（“相當于”正電荷），成為能夠導電的物質。將P型和N型半導體坐在同一塊半導體晶體上，在兩種半導體接觸的區(qū)域就形成了PN結。如上圖所示。上面敘述的兩種半導體在外加電場的情況下，會作定向運動。當電子遇到空穴，會發(fā)生復合。從能帶的觀點看就是電子從高能級跳到低等級，并釋放出電磁能量。五、比較：由上面的原理分析我們可以得到三類發(fā)光現(xiàn)象在本質上的區(qū)別：即白熾燈為熱致發(fā)光，熒光燈為光致發(fā)光，LED為電致發(fā)光。熱致發(fā)光和熒光現(xiàn)象在經典物理時代就被發(fā)現(xiàn)了，而LED發(fā)光是近代才出現(xiàn)的。熱致發(fā)光可以部分的用經典物理解釋，但對光的本質及發(fā)光原理的解釋存在本質上的矛盾；但在量子理論出現(xiàn)后，人們才逐漸建立了一套完善的關于光和發(fā)光的理論，對他們的本質有了更進一步的認識。參考文獻：光子百度