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“开灯那刻,我竟和宇宙对话了?”

环球科学  · 公众号  · 科学  · 2025-05-09 22:00

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现代手机屏幕里,有机材料被电激发发光,我们叫它有机电致发光(OLED)。这类发光可以做得很薄很柔软,是显示技术的革命。


能带理论与光子能量



其中 Eg 是半导体带隙。材料带隙大,发出高能短波光(蓝、紫);带隙小,发出长波光(红、红外)。通过选用不同合金成分(如InGaN、AlGaAs)可以精准设计LED发光颜色。


「LED以固态材料“编码”了光的颜色,那自然界下的“自发”发光如何实现?下一节,让我们用光来激发光:光致发光的世界。」


第四章:光不需要电,也不需要热——光、化学和生物的合作

1. 让光激发光


光致发光好比“灯下看粉笔字”:


紫外线一照射到荧光粉上,它立刻发出明亮的可见光。当光照射一些原子时,光的能量使原子核周围的一些电子从基态跃迁到第一激发态单线态或第二激发态单线态。第一激发态单线态或第二激发态单线态不稳定,当电子恢复到基态时,能量会以光的形式释放出来,从而产生荧光。


常见的例子是物质吸收紫外光,发出可见光波段的荧光。我们生活中的荧光灯就是基于这个原理。涂在灯管上的荧光粉吸收灯管内汞蒸气发出的紫外光,然后荧光粉发出可见光,人眼可见。


磷光是一种缓慢发光现象。当某常温物质被一定波长的入射光(通常为紫外线或X射线)照射时,吸收光能进入激发态(通常自旋重数与基态不同),然后缓慢去激发并发出比入射光波长更长的出射光(通常波长在可见光波段)。磷光的去激发过程被量子力学的跃迁选择规则所禁止,所以这个过程非常缓慢。


所谓“黑暗中发光”的材料通常是磷光材料,比如夜明珠。


2. 化学发光:无电也无热,只要反应


在犯罪现场,你可能听说过鲁米诺检测血迹,那就是一种化学发光。主要涉及两系列反应:


其一,过氧化氢在血红蛋白中的铁元素的催化下,分解生成氧气;



其二,鲁米诺与碱性溶液中的氢氧根离子反应生成双负离子,后被氧气氧化生成不稳定的过氧化物,在分解出氮气后生成激发态的3-氨基邻苯二甲酸,激发态至基态转化中,释放的能量以光子的形式存在,波长位于可见光的蓝光部分。

图源:https://b23.tv/Mllo4y8


3. 生物发光:自然界的点灯艺术家


在黑夜里,萤火虫微微闪烁,深海鱼幽蓝发光,这些生物都有一套“化学发光 + 酶催化”的“自带电源”,无需电网,只要体内有荧光素和氧气,就能点亮夜空。它们就是地球上真正会自己“点灯”的生物。



第五章:当光子碰到量子——高能与神奇的发光方式


进入高能物理与量子物理领域,我们发现更酷的光源:


1. 激光(Laser)


利用受激辐射原理制造出的相干光束,是现代科技的核心之一:


从激光笔到激光手术刀。它的发光“整齐划一”,不像太阳光那样杂乱,是光子们“排好队一起发光”的代表。


为什么激光要“整齐”?粒子数反转的秘密







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