太阳能发光,其他恒星也能发光;而月亮及许多别的星星看上去很亮,自己却不能发光。我们习惯上把自己能发光的物体称作发光体,物理学上叫光源。通常,我们把光源划分为两类:天然光源和人造光源。太阳是我们最熟悉的天然光源,各种各样的灯则是人造光源。
人类最早的照明,是利用物质燃烧产生的光。起初,人们将木棒的一端点燃,另一端握在手里,或插在居住的山洞洞壁上,用来照明和保存火种,这就是火把。后来,人们发现油脂丰富的松木火光明亮,而且耐燃,就把松木劈成条块点燃,这叫做松树明子。
随着社会的发展和技术的进步,有了各种陶瓷和玻璃的器皿,装上植物油和芯捻,制成了专用的照明器具,这就是灯。到了近代,石油的开发和提炼又为人类社会提供了廉价而清洁的煤油,于是出现了煤油灯。后来还出现了固体的灯——蜡烛。
电灯的发明,使人类社会实现了从火光源向电光源的转变,大大推进了人类历史的进程。时至今日,各种各样的电灯流光溢彩,不仅为我们驱走了黑暗,还为我们美化环境和生活。宾馆大厅的大吊灯,金碧辉煌,使得厅堂富丽而豪华;商场里的射灯,烘云托月,使得商品更加目不暇接;客厅里的壁灯,新颖别致,给人以优雅和谐的气氛;居室里的装饰灯,赏心悦目,成为现代家庭的一种时髦装设;卧室里的吸顶灯,柔如春水,令人心境平和入睡……
光和热犹如孪生兄弟,很多物质发光时往往伴随有热效应。太阳和其他天然光源是这样,一些人造光源也是这样。把金属或炭加热,当温度较低时会发出一种看不见的红外光线,热到500℃时发出暗红色的光,继续加热,温度升高,光色由红变黄,热到1500℃时就变成白炽了。一般的灯泡就是这样,灯丝是用高熔点材料钨丝制成的,当电流通过时,像电炉丝一样产生高热而变成白炽发光,所以就把它叫做白炽灯。
火光源也好,电光源也好,有热就发光,发光伴有热,难怪人们常说“有一分热,发一分光”呢。
其实,在自然界里,热发光只不过是常见的一种情景而已,有许多东西发光而它们并没有热……
夏天的夜晚,我们常常会看到,一些像玉米粒那样大的淡绿色光亮在空中飞舞,忽明忽暗。这是萤火虫放出的光亮。
无月的黑夜,轮船在海上航行,常常会发现海上有一片片闪烁的光亮,奇丽异常,这是海洋生物放出的光亮。海洋生物中能够发光的特别多,数量繁多的藻类和浮游生物,还有许多鱼类都会发光。如“水中明星”角鮟鱇,恰如一只怪状的小船,头上有一根小“桅杆”,顶上有一盏小“灯笼”,它像一盏小日光灯那样亮。
萤火虫和海洋生物为什么能放光呢?原来,它们身上都有发光器,里边储藏两种物质——荧光酶和荧光素。借助荧光酶的催化作用,荧光素发生氧化作用,所产生的能量就以光的形式释放出来,因而发出了荧光。
生物发光是一种化学反应。有的物质,如萤石、石蜡油及一些颜料受到紫外线的照射,也能发出荧光。
还有的物质,在紫外线的照射下会产生一种绿色的光,当紫外线停止照射时,这种光不像通常的荧光那样随即消失,而是持续地发光,这种光叫做磷光。
用能够发光的物质制成的发光粉,在微光照明中得到了广泛应用。我们常见的夜光表,在表的指针和刻度端涂有淡绿色的发光粉。经过白天的日光照射,黑夜里就能发出光亮来。在汽车、飞机和许多军用仪表上,也都像夜光表那样,把指针和刻度都涂上发光粉。这样,在夜间行车、作战时,靠着发光粉的帮助,就可以看清仪表了。
荧光和磷光,发光的时候不产生热,称为冷发光。
冷发光的效率非常高,可以达到97%,而热发光的效率却低得可怜。例如,白炽灯在2200℃时,发光效率只有10%,其余90%的电能都变成热而散发掉了。这是多么大的浪费啊!
怎样提高发光效率呢?
对于白炽灯来说,提高灯丝温度,可以增大可见光的百分率;但温度升高以后,灯丝钨的蒸发急剧加快,灯泡寿命就大大降低。为了解决这个问题,在灯泡里充进了惰性气体,阻止钨原子蒸发。但是,这种办法,也只能让灯丝工作温度达到2500℃。在白炽灯的发展过程中,怎样提高发光效率和延长使用寿命,一直是个关键问题。因此,人们又致力于“冷发光”的研究,先后制成了日光灯、高压水银灯和霓虹灯等许多新型灯。
日光灯是一只白色玻璃灯管,外面是普通玻璃的管壳,内壁涂有荧光粉卤磷酸钙,灯丝是螺旋状钨丝,涂有热电发射材料碳酸盐,管内充进少量的惰性气体和液态水银。通电之后,灯丝产生热,碳酸盐发射出电子,这些电子冲击惰性气体,使惰性气体电离而产生气体放电,继而惰性气体离子又冲击受热气化的水银蒸气分子,产生更加剧烈的放电。水银蒸气产生一种能量相当大的紫外线,射到玻璃管壁的荧光粉上,随即放射出白色的可见光。
日光灯中的水银蒸气气压是很低的,因而粒子碰撞的机会较少。为了增加气体粒子碰撞的机会,也就是增大水银蒸气受激发和产生紫外线的总能量,人们采取了增大灯管中水银蒸气气压的办法,制成了高压水银灯。这种灯的亮度很高,光色呈蓝色,被用作路灯照明。
霓虹灯是另一种“冷光灯”。霓虹灯的灯管里,充以各种不同的气体,就会放出色泽艳丽的光。不同的气体,放出的光颜色也不同:氖气能发桔红色的光,氩气能发淡蓝色的光,氦气能发粉红色的光……