光是怎样形成的？

                                      晏成和

前面的文章《磁性是怎样形成的？》，谈到磁场来自于电子的运动，是电子的运动伴生着磁场。现在我们接着说电磁波-光，光是怎样形成的？光来自哪里？

明亮的火光、灯光点亮了我们的黑夜，同时向好奇的我们提出了一个个的问题：光是从哪里来的？有人回答——光源。然而今天要探讨的是：光源中的光来自于哪里？光源为什么能发光？为什么有热发光、还有冷光、二者有什么区别？光源中的光是怎样形成的？

 几十万年前，人类发明了用火，橙红色的火光伴随着人类进入了今天的文明世界，“火为什么是红色的？”这是几千年来一个恒古的话题。

早年冬天，家里烧着煤炉，煤烧红了、发出橙红色的光，铁丝也能被烧红、玻璃能烧红、石头也能烧红，自然物质如岩浆、铁水、火焰、灯丝等在热到一定的程度都会发光。人们总结出：热物质能够发光。为什么所有的物质加热到高温时就能够发出红光？热怎样使物质发光？热发的光来自哪里？

  现代研究表明，光是电磁波，红光、橙光、蓝光分别是不同频率的电磁波。而物质是由原子组成，原子是由原子核与核外运转着的电子组成。物质中辐射出的电磁波是哪里来的？是原子中的、还是电子发出的？电磁波难道会无中生有？

我们在探讨磁性时重温了奥斯特实验，回顾了直流导线的周围的小磁针发生偏转，探究其微观机理是：电流接通磁针偏转，磁场来自于电子的运动；大自然告诉我们：电子的运动（直线运动、转动）伴生着磁场。

电子的绕核转动及在导线内的流动所伴生的电磁波是磁场。如果电子振动、使伴生的电磁脱离、离开场源，伴生着的磁场就不能连续，于是就成为一断断辐射的电磁波，形成物质的发光。由此，大自然告诉我们：光是脱离了场源的磁；发光与电子息息相关、发光是来自于电子的振动。

于是，光是从哪里来的？光是怎样形成的？就有了答案：电子在运动时伴生着电磁场，电子的振动使伴生的电磁脱离场源形成辐射的电磁波,光的形成就是由于电子振动所辐射的电磁波。

上述物质，岩浆、铁水、火焰、灯丝等高温物质的发光，就是来自于高温物质核外电子跃迁运动，跃迁运动是核外电子在能级间的跳动，是一种振动，所以能够伴生、辐射电磁波。热发光就是高温物质的核外电子跃迁所辐射的电磁波。所发光的频率就是价电子跃迁时的运转速率，于是也就有了温度高-物质热发光的频率高的自然现象。

1855年，科学家R.W.本生团队发明了一种温度很高的本生灯，不同的物质在极高温下发出炫丽的光，经过分光镜，不同元素各自呈现出各自不同的光谱-原子光谱，这就是著名的光谱实验。

原子光谱反映了原子内价电子运动的信息。钠光谱是两条明亮的黄线；钾的光谱是一条突出的紫色线；銫光谱是两条浅蓝色的线。钠光谱的信息告诉我们：两条线-表明钠原子有两个价电子；黄颜色-表明了钠元素在本生灯中价电子的速率与黄色光波频率相同。同理：钾的光谱是一条线-表明钾原子只有一个价电子、紫色线-表明钾元素在本生灯中价电子的速率与紫色光波频率相同……如此类推。光谱实验清晰无误地告诉我们：热发光是由价电子跃迁振动所发出的电磁波辐射。

固体物理所谓的声子理论（原子的振动）是值得商榷的。

除了实验还有理论-麦克斯韦方程组，方程表明：电场强度等于磁场波变化率的负值，于是建立了变化的磁场、电场、电磁波及电流四者数学联系。方程组阐明：磁场、电场、电磁波的物理根源都是来自电子的运动。那么，光-电磁波的物理根源当然是来自电子的运动-振动。光源中的光来自于电子的振动，电子振动所伴生的电磁波辐射形成了光波，电子振动的频率构成了光波的频率，大量电子振动的电磁波辐射形成了光源。

 电子是如何发生振动呢？致使电子振动，有以下几种情况：当物质温度高、环境温度较低时，物质的电子发生的跃迁运动，跃迁是核外电子在高能级辐射出电磁波后向低能级的跳动，是一种振动，所辐射出的电磁波频率与高能转速相同，也就是发出与相应频率的光。此外，电子在强磁场、高压电场作用下或在半导体中也会发生振动，电子振动所的辐射电磁波的宏观表现是不同频率的光。

于是可以归纳，电子振动发光由以下几种原因所引发。

一是热发光，是高温物质的价电子由高能级向低能级跃迁时所引发的振动。这种振动需要物质的温度大大高于环境的温度，价电子速率很高、达到可见光的频率，核外电子跃迁辐射才能发出红光。我们把这种高温物质核外电子跃迁辐射所形成发光的光源叫热光源。

（当然，物质的温度略高于环境的温度也可以发生红外线辐射，如身体体温辐射，热馒头的辐射。温度较低的周边物质的核外电子则可以接收辐射，提高自身的价电子速率——温度）

二是电子在强磁场或强电场的作用下引发的受激振动，这样的电子振动发光与温度无关、与核外电子运转速率无关。

三是在半导体材料中，由于掺杂，使得有的价电子没有合适的归属，发生振动、发光。将来，我们还可能制作不同的发光器材、发光物质，其本质仍然是电子的振动，我们把这种不需要高温而使电子振动所形成辐射光的光源叫冷光源。

热光源    热光源是高温物质核外电子跃迁运动所伴生的电磁波辐射。

当物质温度高于环境温度，其核外电子的速率升高，速率较高的核外电子就发生跃迁运动（绕核运转时降低速率的振动），向外辐射一定频率的电磁波。物质的温度越高，核外电子的速率就高，电子跃迁所辐射的频率就越高。于是我们就看到了热物质的发光。如：火光、烛光、白炽灯的灯光，以及前述钢铁、玻璃、石头等烧红时的发光。

火光为什么是红的？因为这些物质的温度在800-1000℃左右，核外电子的速率在红色、橙色频率附近，所以核外电子跃迁时辐射出橙红色的光。而白炽灯的灯丝温度在2500℃，其光色显得白亮（其中多了橙、黄、绿的成分）。热光源一般是多种频率共存的，除了橙光、红光，还有大量的红外波、微波，这些波我们的眼睛看不见，所以热光源的发光效率很低（白炽灯的发光效率仅有7%）。

冷光源   冷光源是在电场、磁场作用下电子受激振动所伴生的高频率电磁波。这里，电子是指自然界游离电子及原子的核外层电子（非跃迁运动）。

因为冷光源的发光是电子在磁场或电场作用下发生振动所伴生的电磁波，这种高频振动与电子绕核运转的速率无关、与物质的温度无关，仅仅与电子振动的频率、振幅相关，发光时不会伴有强烈的发热，不会伴有大量的红外波、微波。所以发光效率高，能节约大量的能源。如：日光灯、节能灯、极光、萤火虫的发光。

半导体发光：在半导体材料（硅）中，硅原子的4个价电子进行价和运转，平顺、稳定，构成硅晶体。由于掺杂，在晶体中掺杂了不同价、不同速率的原子，嵌入晶体中，使得有的价电子没有合适的归属。在电流通过半导体时，运动的电荷让晶体内的电子运动更加紊乱、电子在拥挤、等待时发生振动、发光，形成了（LED）光源。

日光灯：日光灯的光是在高电压电场作用下，使得水银蒸汽和氖气混合气体的表层电子发生强烈的振动，电子的高频振动伴生着紫外线（高频电磁波），紫外线在管壁的荧光物质作用下，形成了近似日光的明亮灯光。

由于是表层电子发生振动所伴生的紫外电磁波，并没有太大地提高气体的核外电子绕核运转的速率，所以气体的温度没有大幅度的升高，只是在电子在运转时的振动使得原子有一些保护性的升温（约50℃），所以人们把日光灯叫做冷光源，其发光效率较高。

极光：极光是在地球两极附近大自然所发出的彩色天光。极光的发生一是在地球两极，磁力线密集、地磁场较强；二是在100至300公里的高空电离层游离电子密集，电子在电离层电场与地球磁场相互作用下，电子发生激烈振动而伴生的电磁波。极光是冷光，极光的发生与高空电场、电子流运动的方向、速度与地球磁力线的相互作用相关。所以极光能够呈现多种频率、绚丽多彩，并能发生流光溢彩的色彩变换。

今后，人们能模拟极光形成原理，利用磁场与电子流相互作用，使电子振动发光，制成发光效率很高的人造极光光源；可以模拟萤火虫，制造生物光；也能够以电子振动-物质发光的原理，制作成更多的人造光源。

                                       2018/5/30 修改