固体发光1剖析.ppt

发光原理基础 任课教师：郑春艳 物理与光电工程学院 闭卷考试，期末考试占80%， 平时成绩占20% 固体发光 许少鸿 参考书：发光原理与发光材料 祁康成 课程教材 考核方式 第一章 概 论 影片《阿凡达》： 潘多拉星球 “希望树”种 子 发光树 发光蘑菇 电影《阿凡达》中的发光植物为我们打造了一幅绚丽 、梦幻的外星世界景观现在，这种会自动发光的植 物已经被科学家从大荧幕带到了现实生活当中 美国科学家近来利用生物基因技术成功培育出了名为 “星光阿凡达”的发光植物 将海洋发光细菌DNA引入 花烟草叶绿体中，使其能 够在不借助任何涂料或是 紫外线照射的情况下自然 、主动的持续发光 科学家们正在试图通过改造树木基因令其能够发出 光亮，如果能够成功，这些树木就能作为不需要电 源的自然街灯 发光原理：这种树之所以会发光，是因为其树根特别 喜欢吸收土壤中的磷这种磷会在树体内转化成磷化 氢，而磷化氢一遇到氧气就会自燃，从而使得树身磷 光闪烁 Ø 发光树： 非洲北部有一种发光树，白天与普通树没区别但每 到晚上，从树干到树枝通体会发出明亮的光由于这 种树发出的光比较强烈，当地人经常把它移植到自家 的门前作为路灯使用。

在夜间，人们可以在树下看书 甚至做针线 发光原理：菌体内的荧光素在荧光 素酶的催化作用下进行生物氧化， 并把化学能转化为光能，就是我们 看到的这种生物光了 发光蘑菇 Ø 发光菌类植物： 通常能发光的植物多是低等菌 类植物(如细菌、真菌和藻类植物) 平时也会见到一段发朽的树桩 、木块，能够在黑暗中发出蓝白色 的荧光，研究发现，树桩此时已被 假蜜环菌寄生 萤火虫 栉水母 动物界说到发光，首先想到萤火虫，除此之外大自然中还 有许多能够发光的动物，如一些生活在海里的鱼、虾、水 母、珊瑚、贝类和蠕虫等 百慕大三角洲发现的荧光虾 日本富山湾海下栖息着大量荧光乌贼，有时，上百万的荧 光乌贼聚集在一起，可以把整个海湾照亮 发光蚯蚓 美国南部生活着一种长达 45厘米的发光蚯蚓 这种蚯蚓一旦被伤害，就 会分泌出闪烁着蓝光的黏 液 铁路蠕虫 身上长有两种不同的发光 器官 仿佛圣诞树一般，头部发 出红光，身子闪烁绿光 萤火虫发光原理：萤火虫腹部的发光细胞中含有虫荧 光素和虫荧光素酶，荧光素在荧光酶的催化作用下进 行生物氧化，并把化学能转化为光能 水母发光原理：水母体内含有特殊的发光蛋白（埃奎 林 ），遇到钙离子就会发生化学反应发出光来。

生物化学能——光能 生物发光有什么特点？ “冷发光”——即发光过程中，发光体并不需要被加热 到高温，它和周围环境温度几乎相同 古代“夜明珠”，是指 能够在夜晚（或暗室中 ）自行发光的天然物体 Ø 发光矿物 夜明珠： 萤石 •长余辉蓄光型夜明珠：必须靠外界的日光、紫外线 等光源激发后才能发光； 发光原理：夜明珠的基体材料是无机盐类中的激活 晶态磷光体 光能——光能 放射能——光能 •永久发光的夜明珠：不需要借助任何外界能量进行 激发，靠自身含有的放射性同位素激发而发光 ----光致发光 ----放射线发光 Ø x射线发光 X光透视机 医用增感屏是临床X线摄影不可 缺少的重要器材，它与X线胶片 匹配使用增感屏上的荧光物 质能将穿透机体的X线转化为可 见光对胶片感光，可以提高X线 对胶片感光的利用效率 光能——光能 Ø 阴极射线发光 阴极射线管（CRT） 发光原理: 能量大约在几千电 子伏以上的高速电子打到荧光 粉表面时，大部分都可进入材 料内部产生速度越来越低的“ 次级”电子，直到发光体中出现 大量的能量在几电子伏的低速 电子，激发发光材料发出强光 。

阴极射线发光是指电子束激发 的发光 雷达显示屏 电子的动能——光能 发光原理： 荧光棒外形多为条状，外层 以聚乙烯（塑料）包装，内置一 玻璃管夹层，夹层内外液体分别 为过氧化物和酯类化合物、荧光 染料使用时经弯折、击打、揉 搓等使玻璃破裂，过氧化物和酯 类化合物发生反应后，能量传递 至荧光染料，再由染料发出荧光 Ø 荧光棒 ——化学发光 化学能——光能 Ø 电致发光（场致发光） 发光原理：物质在一定的电场作 用下被电能所激发而产生的发光 现象是一种直接将电能转化为 光能的发光现象 发光二极管 无机材料 有机材料 电能——光能 LED（light emitting diode） Ø 声致发光 液体中的气泡被强大的声波作用时，气泡会坍塌 到一个非常小的体积，内部温度可以超过10万摄 氏度，过程中会发出瞬间的闪光 声能——光能 发光原理：极光是地球周围的一种大规模放电的过程 来自太阳的高能带电粒子（太阳风，电子、质子等 构成）到达地球附近，地球磁场迫使其中一部分沿着 磁场线集中到南北两极当他们进入极地的高层大气 时，与大气中的原子和分子碰撞，形成极光 Ø 极光 ——高能粒子发光 高能粒子动能——光能 Ø 闪电 发光原理：雷雨云底层与地面间形成强大电场，大气 被强烈电离，形成一条狭窄的导电通道，流过很强的 电流，以至空气通道被烧得白炽耀眼，出现一条弯弯 曲曲的细长光柱。

——热辐射发光 电流热效应 电能——光能 Ø 热辐射发光 铁的热辐射 开始不发光→ → → 黄白色橙色 暗红 热能——光能 Ø 太阳（恒星） 太阳发光 原理 核能——光能 Ø 火焰 燃烧发光：既有化学能直 接转换成产物的激发能产 生的化学发光，又有化学 能转化成热能，导致周围 空气温度升高产生的热辐 射发光 化学能——光能 Ø 人体 发出红外光 生物能——光能 Ø 白炽灯 电能——光能 发光原理：靠电流加热灯丝 （钨丝）至白炽状态，发出 可见光 热辐射发光有什么特点？ “热发光”——即发光过程中，发光体需要被加热到较 高温度时才能发出可见光，且光与热伴行 1.1 发光现象 一般按辐射波长及人眼的生理视觉效应可将光辐 射分成三部分：紫外辐射、可见光辐射和红外辐射 一、光辐射 以电磁波形式或粒子形式传播的能量，可以用光学 元件反射、成像或色散，这种能量及其传播过程称为 光辐射一般认为光辐射的波长在10nm至1mm范围内 宏观：发光是物体内部以某种方式吸收的能量 转化为光辐射的过程 二、广义的发光概念 发光是能量转换过程 微观：物体中的电子受到外界能量的激发，跃迁到高 能态（激发态），处于激发态的电子具有一定的寿命 ，以一定几率回落到基态，并把多余的能量释放出来 。

如果以光子的形式释放，就称为发光 三、发光的主要过程 各种发光物质，包括气、液、固体，除物质获 取外界能量的方式不同，发光过程都大体相同 1. 激发过程 v发光必须首先从外界获取能量 v将物质体内的原子、分子或离子从基态激发到高 能态 2. 辐射跃迁过程 v 高能态（激发态）是一种不稳定的状态 v 粒子迟早会从激发态跃迁回基态，释放出吸 收的能量 v 如果能量是以光子的形式释放出来的就称之 为发光跃迁或辐射跃迁 辐射跃迁是发光所需要的跃迁 3 . 无辐射跃迁过程 并非所有被物质吸收的激发能都能转化为光 辐射输出，说明粒子从高能态到基态的跃迁并非 只有发光这一种方式 v 粒子从激发态跃迁到基态的过程不产生光子 辐射输出 v 将激发能散发为热（如使得晶格振动加剧， 导致晶体温度升高 ），称为无辐射跃迁 无辐射跃迁和辐射跃迁是激发态回到基态的两 种方式，是竞争过程，会降低物质的发光效率 四、发光的类型 Ø 平衡辐射：又叫平衡热辐射 物体辐射电磁波的同时，也吸收电磁波当辐射 和吸收达到平衡时，物体的温度不再变化，此时物 体的热辐射称为平衡热辐射 温度在0K以上的任何物体都有热辐射，但温度不 够高时辐射波长大多在红外区，人眼看不见。

物体的 温度达到500℃以上时，辐射的可见部分就够强了， 例如烧红了的铁，白炽灯中的灯丝等 “热发光 ” 与温度相关的辐射 1、 任何物体在任何温度下都可以进行热辐射； 2、热辐射的能量与波长、温度以及物体的性质有关， 随着温度的升高，辐射的总功率增大，辐射的光谱分布 向短波方向移动； 热辐射的特点： 红-黄-白-蓝 3、辐射出的电磁波是连续的 v 物体中的分子、原子在不停的做热运动； v 温度是描述平衡状态下这种运动激烈程度的物理 量，热运动越剧烈物体温度就越高； v 在一定温度下，物体中的原子分子有一定的处在 不同激发态上的分布（遵循玻耳兹曼分布律） ，因 此，由它们跃迁引起的热辐射就有很宽的光波长范围 ； v 当温度升高时，电子在不同能态上的分布移向较 高能量的状态，电子处于高能态的几率增加，这样， 辐射光的强度会增大，峰值波长会向短波长移动 热辐射发光存在的问题 在升高温度以得到我们所需要的光辐射的同时， 物体还会发射许多我们不需要的辐射，大部分能量落 到红外部分，发光效率低（白炽灯只有10%左右）， 热损耗大 • 如果一个物体能够在任何温 度下全部吸收任何频率的电 磁辐射，那么这个物体称为 绝对黑体。

• 绝对黑体的吸收本领是一切 物体中最大的，加热时它辐 射本领也最大天然的、理 想的绝对黑体是不存在的 人造黑体是用耐火金属制成 的具有小孔的空心容器，如 图所示 加热 加热 小孔 p黑体模拟装置 用金属制 成封闭空腔，空腔壁全部 涂黑，仅留一小孔，四周 绝热，这样的容器的小孔 就相当于黑体 黑体辐射 黑体辐射的发射本领只与温度有关 v热平衡时，黑体表面单位面积辐射光谱能 量的大小及其分布完全决定于它的温度 黑体热辐射温度材料性质、形状 与同温度其它物体的热辐射相比 ，黑体热辐射本领最强 黑体辐射的基本定律 式中，λ— 波长，m ； T — 黑体温度，K ； c1 — 第一辐射常数，3.742×10-16 Wm2； c2 — 第二辐射常数，1.4388×10-2 WK； (1) 普朗克定律 1900.10.19 普朗克在德国物 理学会会议上提出一个黑体 辐射公式 (2) 斯特藩 - 玻耳兹曼定律 斯特藩 - 玻耳兹曼常数 总辐出度与 T 4 成正比 0 1 000 2 000 1.0 可见光区 0.5 6 000 K 3 000 K 1879年斯特藩从实验上总 结而得到 1884年玻耳兹曼从理论上 证明 (3) 维恩位移定律 常量 0 1 000 2 000 1.0 可见光区 0.5 6 000 K 3 000 K 或m = C T C = 5.880×1010 Hz/K 1893年由理论推导而得 峰值波长  m 与温度 T 成 反比 若视太阳为黑体，测得 估算出太阳表面温度约 T表面 =6000K 发射率 n同温度下，黑体发射热辐射的能力最强，在每一个方向 都最大可能的发射任意波长辐射能； 实际物体的辐射特性 n真实物体表面的发射能力低于同温度下的黑体； n因此，定义了发射率 (也称为黑度)  ：相同温度下， 实际物体的半球总辐射力与黑体半球总辐射力之比: 物体表面的发射率取决于物质种类、表面温度和表面状况。

Ø 非平衡辐射：不需要提高物体的温度，在某种外界 作用激发下，物体偏离原来的热平衡态时所产生的 辐射 “冷发光 ” 在加热物体时，物体内所有原子或分子的能量 都得到提高在达到热平衡时，物体的原子或分子 中的电子有一定的能态分布，电子处于较高能态的 几率由温度决定，如果物体温度不很高，这种可能 性就很小，这时热辐射主要由红外光组成，可见光 成分很少 什么叫偏离热平衡态： 如果以某种方式把外界能量传给物体中的个别原 子或分子，使其升到高能态，而周围大量的分子或原 子处于未被激发的状态，就可使电子在不同能态上的 分布偏离热平衡分布电子从这些高能态跃迁发出的 光，就会比相应温度下同波长的热辐射强的多 狭义的“发光” Luminescence概念 ： 发光就是物体不经过热阶段而将其内部以某种方 式吸收的能量直接以光能的形式释放出来的非平 衡辐射过程 发光只是。