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光來自于哪里?

作者:佚名  人氣: 次  時間:2018年08月25日  星級:

明亮的火光、燈光點亮了我們的黑夜,同時向好奇的我們提出了一個個的問題:光是從哪里來的?有人回答——光源。然而今天要探討的是:光源中的光來自于哪里?光源為什么能發光?為什么有熱發光、還有冷光、二者有什么區別?光源中的光是怎樣形成的??
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幾十萬年前,人類發明了用火,橙紅色的火光伴隨著人類進入了今天的文明世界,“火為什么是紅色的?”這是幾千年來一個恒古的話題。?
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早年冬天,家里燒著煤爐,煤燒紅了、發出橙紅色的光,鐵絲也能被燒紅、玻璃能燒紅、石頭也能燒紅,自然物質如巖漿、鐵水、火焰、燈絲等在熱到一定的程度都會發光。人們總結出:熱物質能夠發光。為什么所有的物質加熱到高溫時就能夠發出紅光?熱怎樣使物質發光?熱發的光來自哪里??
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現代研究表明,光是電磁波,紅光、橙光、藍光分別是不同頻率的電磁波。而物質是由原子組成,原子是由原子核與核外運轉著的電子組成。物質中輻射出的電磁波是哪里來的?是原子中的、還是電子發出的?電磁波難道會無中生有??
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我們在探討磁性時重溫了奧斯特實驗,回顧了直流導線的周圍的小磁針發生偏轉,探究其微觀機理是:電流接通磁針偏轉,磁場來自于電子的運動;大自然告訴我們:電子的運動(直線運動、轉動)伴生著磁場。?
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電子的繞核轉動及在導線內的流動所伴生的電磁波是磁場。如果電子振動、使伴生的電磁脫離、離開場源,伴生著的磁場就不能連續,于是就成為一斷斷輻射的電磁波,形成物質的發光。由此,大自然告訴我們:光是脫離了場源的磁;發光與電子息息相關、發光是來自于電子的振動。?
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于是,光是從哪里來的?光是怎樣形成的?就有了答案:電子在運動時伴生著電磁場,電子的振動使伴生的電磁脫離場源形成輻射的電磁波,光的形成就是由于電子振動所輻射的電磁波。?
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上述物質,巖漿、鐵水、火焰、燈絲等高溫物質的發光,就是來自于高溫物質核外電子躍遷運動,躍遷運動是核外電子在能級間的跳動,是一種振動,所以能夠伴生、輻射電磁波。熱發光就是高溫物質的核外電子躍遷所輻射的電磁波。所發光的頻率就是價電子躍遷時的運轉速率,于是也就有了溫度高-物質熱發光的頻率高的自然現象。?
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1855年,科學家R.W.本生團隊發明了一種溫度很高的本生燈,不同的物質在極高溫下發出炫麗的光,經過分光鏡,不同元素各自呈現出各自不同的光譜-原子光譜,這就是著名的光譜實驗。?
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原子光譜反映了原子內價電子運動的信息。鈉光譜是兩條明亮的黃線;鉀的光譜是一條突出的紫色線;銫光譜是兩條淺藍色的線。鈉光譜的信息告訴我們:兩條線-表明鈉原子有兩個價電子;黃顏色-表明了鈉元素在本生燈中價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價電子、紫色線-表明鉀元素在本生燈中價電子的速率與紫色光波頻率相同……如此類推。光譜實驗清晰無誤地告訴我們:熱發光是由價電子躍遷振動所發出的電磁波輻射。?
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固體物理所謂的聲子理論(原子的振動)是值得商榷的。?
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除了實驗還有理論-麥克斯韋方程組,方程表明:電場強度等于磁場波變化率的負值,于是建立了變化的磁場、電場、電磁波及電流四者數學聯系。方程組闡明:磁場、電場、電磁波的物理根源都是來自電子的運動。那么,光-電磁波的物理根源當然是來自電子的運動-振動。光源中的光來自于電子的振動,電子振動所伴生的電磁波輻射形成了光波,電子振動的頻率構成了光波的頻率,大量電子振動的電磁波輻射形成了光源。?
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電子是如何發生振動呢?致使電子振動,有以下幾種情況:當物質溫度高、環境溫度較低時,物質的電子發生的躍遷運動,躍遷是核外電子在高能級輻射出電磁波后向低能級的跳動,是一種振動,所輻射出的電磁波頻率與高能轉速相同,也就是發出與相應頻率的光。此外,電子在強磁場、高壓電場作用下或在半導體中也會發生振動,電子振動所的輻射電磁波的宏觀表現是不同頻率的光。?
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于是可以歸納,電子振動發光由以下幾種原因所引發。?
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一是熱發光,是高溫物質的價電子由高能級向低能級躍遷時所引發的振動。這種振動需要物質的溫度大大高于環境的溫度,價電子速率很高、達到可見光的頻率,核外電子躍遷輻射才能發出紅光。我們把這種高溫物質核外電子躍遷輻射所形成發光的光源叫熱光源。?
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(當然,物質的溫度略高于環境的溫度也可以發生紅外線輻射,如身體體溫輻射,熱饅頭的輻射。溫度較低的周邊物質的核外電子則可以接收輻射,提高自身的價電子速率——溫度)?
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二是電子在強磁場或強電場的作用下引發的受激振動,這樣的電子振動發光與溫度無關、與核外電子運轉速率無關。?
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三是在半導體材料中,由于摻雜,使得有的價電子沒有合適的歸屬,發生振動、發光。將來,我們還可能制作不同的發光器材、發光物質,其本質仍然是電子的振動,我們把這種不需要高溫而使電子振動所形成輻射光的光源叫冷光源。?
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熱光源? ? 熱光源是高溫物質核外電子躍遷運動所伴生的電磁波輻射。?
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當物質溫度高于環境溫度,其核外電子的速率升高,速率較高的核外電子就發生躍遷運動(繞核運轉時降低速率的振動),向外輻射一定頻率的電磁波。物質的溫度越高,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的發光。如:火光、燭光、白熾燈的燈光,以及前述鋼鐵、玻璃、石頭等燒紅時的發光。?
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火光為什么是紅的?因為這些物質的溫度在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,所以熱光源的發光效率很低(白熾燈的發光效率僅有7%)。?
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冷光源? ?冷光源是在電場、磁場作用下電子受激振動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(非躍遷運動)。?
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因為冷光源的發光是電子在磁場或電場作用下發生振動所伴生的電磁波,這種高頻振動與電子繞核運轉的速率無關、與物質的溫度無關,僅僅與電子振動的頻率、振幅相關,發光時不會伴有強烈的發熱,不會伴有大量的紅外波、微波。所以發光效率高,能節約大量的能源。如:日光燈、節能燈、極光、螢火蟲的發光。?
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半導體發光:在半導體材料(硅)中,硅原子的4個價電子進行價和運轉,平順、穩定,構成硅晶體。由于摻雜,在晶體中摻雜了不同價、不同速率的原子,嵌入晶體中,使得有的價電子沒有合適的歸屬。在電流通過半導體時,運動的電荷讓晶體內的電子運動更加紊亂、電子在擁擠、等待時發生振動、發光,形成了(LED)光源。?
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日光燈:日光燈的光是在高電壓電場作用下,使得水銀蒸汽和氖氣混合氣體的表層電子發生強烈的振動,電子的高頻振動伴生著紫外線(高頻電磁波),紫外線在管壁的熒光物質作用下,形成了近似日光的明亮燈光。?
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由于是表層電子發生振動所伴生的紫外電磁波,并沒有太大地提高氣體的核外電子繞核運轉的速率,所以氣體的溫度沒有大幅度的升高,只是在電子在運轉時的振動使得原子有一些保護性的升溫(約50),所以人們把日光燈叫做冷光源,其發光效率較高。?
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極光:極光是在地球兩極附近大自然所發出的彩色天光。極光的發生一是在地球兩極,磁力線密集、地磁場較強;二是在100至300公里的高空電離層游離電子密集,電子在電離層電場與地球磁場相互作用下,電子發生激烈振動而伴生的電磁波。極光是冷光,極光的發生與高空電場、電子流運動的方向、速度與地球磁力線的相互作用相關。所以極光能夠呈現多種頻率、絢麗多彩,并能發生流光溢彩的色彩變換。?
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今后,人們能模擬極光形成原理,利用磁場與電子流相互作用,使電子振動發光,制成發光效率很高的人造極光光源;可以模擬螢火蟲,制造生物光;也能夠以電子振動-物質發光的原理,制作成更多的人造光源。?
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