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科学的科普（25）原子怎么发光
张武昌2025年10月18日星期天
如果要系统研究光的科学，会提出四段式的问题：
光是什么？
物质为什么发光（怎么发光）？
光是怎么传播的？
光是怎么最终消失的？
从古代的小孔成像到光的微粒说和波动说，都是在讨论光是什么和怎么传播的，从来没有人想过其他两个问题。
随着时间的流逝，元素和原子的提出为光的研究提出了思考的线索：物质是元素组成的，物质发出的光应该是原子发出的，原子怎么发光呢？
1887年，赫兹实验证明光电相互转化
1887年，赫兹发现电磁波的实验证明，既然电子（电流）的波动导致了电磁波的发生，电子就是产生电磁波的源头。电磁波也可以变为了电，因此电磁波和电是互相变化的。
赫兹的发现有两种用途，一是传输能量为目的的无线电流传输，二是对电磁波进行调制以传达信息。
在完成了交流电力系统之后，特斯拉把目光转向了无线电能传输。 既然交流电能在输电距离上战胜直流电，那么能不能进一步让电力输送摆脱导线，做到更自由，甚至更远距离的传输呢？ 1891年到1904年期间，特斯拉开展了一系列试验。 第五大道实验室中，特斯拉首先做到了远距离（同一间屋内）隔空点亮电灯。无线输电的高潮是是著名的沃登克里弗塔（Wardenclyffe Tower）的失败，至今无线电力传输仍没有得到大规模输电，只是在无线手机充电和家庭规模的无线电力传输，科学家仍然探索大规模无线电力传输，为太空发电传回地球最准备。
1895年，无线电报得到成功应用，此后无线通讯发展到今日广泛使用的收音机、电视和无线网络通信。
1888年，赫兹证明光和电磁波同一性。那么光（可见光波段的电磁波）可以和电相互转化吗？
1814年，吸收光谱
1802年，英国学者沃拉斯顿在一篇论文中描述了他在太阳光谱中发现了一些暗线，他认为这些暗线是代表不同颜色的分界线。
1814年，德国玻璃制造商、物理学家约瑟夫·冯·夫琅和费（Joseph von Fraunhofer）（弗劳恩霍夫）数出阳光光谱中有570多条暗线，其中主要特征谱线以字母A~K命名，这一系列谱线也被称为夫琅和费谱线。
1859年，发射光谱
古代巫师做法时，常往火中撒一些粉末，让火焰变幻出各种色彩，就像最近上映的电影《魔法师的学徒》里，巫师布莱克抬手就放出的各色鬼火，你可不要以为是巫师法力强大，其实这只是障眼法，运用的就是化学里的“焰色反应”。 很多金属以及它们的化合物，在火焰中灼烧时，火苗会变幻出各种颜色，而且每种金属都有自己对应的颜色。
1852年，罗伯特.本生Robert Bunsen和他的朋友古斯塔夫.基尔霍夫Gustav Kirchhoff在海德堡大学稳定下来。当时的街道和室内照明都是靠燃烧煤气，本生发现煤气燃烧器并不稳定，就在1857年发明了本生灯Bunsen Burner，它目前仍在全世界的化学实验室使用。
物质是元素组成的，既然光是由物质发出的，他们发出的光有什么不同呢。
本生决定系统的研究不同物质（含不同元素）燃烧时产生的光的颜色，起初用滤光片但是效果不佳。1959年
本生用天然气火焰研究不同化合物产生的光，1959年基尔霍夫建议他使用三棱镜。两人制造了第一台光谱仪spectroscope。
当本生将物质燃烧（或加热）发出的光时，发现没有七彩的光，而是特定频率的尖锐条带，称为谱线，他们使用机械臂，比较精密的操作光线和三棱镜的角度，从而系统研究不同元素产生的光谱。
它们很快发现每种元素都有独特的光谱指纹，通过燃烧化合物，从产生的光谱谱线的特征可以确定化合物的成分，还发现了一些与已知物质不同的光谱谱线，据此发现了铷元素和铯元素。
发射光谱和吸收光谱的重合
有一次，基尔霍夫突发奇想，没有任何研究目的，就是想看看连续光谱和元素光谱的叠加，在连续光照射钠盐蒸汽时，本以为在连续光谱上会出现纳光谱的亮线，不成想却看到了钠光谱位置的暗线，这就是偶然发现了吸收光谱。
基尔霍夫想起了夫琅禾费谱线，原来太阳光谱中的暗线是元素的光谱，其中的黄色部分的暗线是钠元素造成的。
基尔霍夫和本生用这种方法发现了太阳中的许多元素。其中氦元素的谱线并没有匹配到具体的元素，因为氦元素当时还没有发现。当人们后来发现氦元素的时候，将其命名为Helios，即希腊神话中太阳神赫利俄斯。
基尔霍夫和本生发现太阳中也有黄金，虽然浓度较少，但是总量较大，应该与地球上的海水一样多。当基尔霍夫将此事告诉一位银行家时，银行家开玩笑说，现在你告诉我们每天都看到太阳上有海洋一样多的黄金，重要的是你要告诉怎么拿到它。1862年，基尔霍夫的工作获颁英国皇家学会的Rumford Medal，这个奖项是奖给在欧洲工作的对物质热和光学特征做出的卓越发现 for an outstanding important recent discovery in the field of thermal or optical properties of matter made by a scientist working in Europe。基尔霍夫拿着这块金质奖牌，对银行家说，这不，我从太阳（的研究）中获取了黄金。
总结：不同元素（不管什么形式）发出不同波长（颜色）的（可见）光，今天，光谱仪技术仍然是分析物品中含有什么元素的重要方法。
1905年，爱因斯坦解释光电效应（光生电）
无线电波段的光电互换的启发下，爱因斯坦在可见光波段的光生电方面有发现。
“光伏”的发现1839年，时年仅19岁的法国科学家A.E.贝克雷尔在他父亲的实验室中，缓慢地将两片铂金属电极插入到氯化银酸性溶液中。他不知道的是，光伏世界的大门，正随着这一场“错误”的实验慢慢大开。在测量在这些电极之间流动的电流时，他发现，光线中的电流略大于黑暗中的电流；他将这种现象被命名为为光生伏特效应。他不曾料到的是，他在这场实验中观测到的小小的光电流，会在百年之后为人类的能源利用带来重大变革。为了纪念他的发现，光生伏特效应也称“贝克雷尔效应”。
在贝克雷尔的实验沉寂了37年之后，英国科学家威廉·格里尔斯·亚当斯和他的学生理查德·埃文斯·戴发现硒在光线下会产生电能。虽然硒无法为当时使用的电子元件提供需要的电能，但这证明了固体金属可以直接将光转换为电能。
1883年，美国科学家查尔斯·弗里茨在锗片上镀上一层硒金属电极,建立了第一块光伏电池。虽然它的转换效率只有1%，而且成本极高，但是弗里茨雄心勃勃的说：“它连续地、稳定地输出电能，不仅仅能在日光下，还能利用散射光，甚至是昏暗的灯光…我们也许很快就能看到光伏板与[燃煤发电厂]的竞争”。可惜的是，他的预言没有成真。他曾把一块光伏电池寄给当时与爱迪生齐名的西门子，后者对他的发明予以盛赞。西门子认为光电技术在科学上有深远的意义，当时的物理学大牛麦克斯韦也表示赞同，他曾因提出著名的“麦克斯韦方程组”名震物理学。从这时起，许多科学家才开始对光电效应进行基础研究。不过，不论是西门子还是麦克斯韦，都没能破解光伏背后的秘密。
光伏效应是光电效应的一种。
狭义的光电效应（PhotoelectricEffect）是指当一定频率以上的光照射到金属或其他某些材料（材料中存在可被激发并能逸出表面的自由电子或弱束缚电子）的表面时，金属原子吸收光子能量并释放出电子到空间（而不是电流）的现象。
1887年，德国物理学家海因里希·赫兹（Heinrich Hertz）在进行电磁波实验时，注意到当紫外光照射到电极之间时，放电过程显著增强。他的实验使用了不同金属作为电极，并通过不同光源进行照射，最终发现紫外光是增强放电的有效辐射。赫兹的研究论文《论紫外线对放电的影响》成为科学史上第一篇研究光电效应的文章。赫兹的发现引起了其他物理学家的关注，尤其是他的助手威廉·霍尔瓦克斯和菲利普·莱纳德，
1902年莱纳德发现了光电效应的重要性质：光电子数目随光的强度增加而增加，可是光电子的动能只与光的频率有关，与光的强度无关。莱纳德分析了在高真空环境下光电效应的特性和本质，证明了当紫外线照射在金属上时，会使电子从金属表面逸出，并在真空中传播，电子在电场中被加速或减速，电子轨迹在磁场中改变。通过精确的实验，他证明发射的电子数量正比于入射光所带的能量，而电子的速度，或者说它们的动能，却与入射光能量无关，当入射光的波长减小时，电子速度增大。这个事实与当时的理论是相冲突的，经典物理学无法解释莱纳德的光电效应实验结果。
1905年在3月18日，当时26岁爱因斯坦大约在他向苏黎世大学提交博士论文的六周之前，向《物理学年鉴》（当时最重要的物理学杂志）提交了论文《关于光的产生与转化的启发式观点》（On a Heuristic Viewpoint Concerning the Production and Transformation of Light），首先提出了能量量子的概念以及现在称为光子的光粒子概念。
设 Eₘₐₓ是弹射飞出的电子的能量，则
其中，h是普朗克常数，v是入射光的辐射频率，P是从物体表面逃逸所需的能量。
爱因斯坦的解释后来被罗伯特·安德鲁·密立根所证实。这一成果获得1921年的诺贝尔物理学奖。因为人们把爱因斯坦的名字冠在光量子理论上，莱纳德对爱因斯坦一直耿耿于怀。
爱因斯坦的理论复活了光的粒子性行为，为光的波粒二象性打下了基础。
1913年波尔电子能级理论解释电生光
1909年卢瑟福的阿尔法粒子散射实验（又称金箔实验）确认了原子内部结构为原子核处于核心、电子围绕核心。由于异号电荷相互吸引，正负电荷彼此将螺旋式的靠近，辐射出光谱范围宽广的光，直到原子坍塌为止，理论和现实产生了矛盾。
1913年，为了解决这一矛盾，尼尔斯·玻尔（Niels Bohr）提出了一个激进的假设：原子中的电子只能处于包含基态在内的定态上，电子在两个定态之间跃迁而改变它的能量，同时辐射出一定波长的光，光的波长取决于定态之间的能量差。结合已知的定律和这一离奇的假设，玻尔扫清了原子稳定性的问题。玻尔的理论充满了矛盾，但是为氢原子光谱提供了定量的描述。他认识到他的模型的成功之处和缺陷。凭借惊人的预见力，他聚集了一批物理学家创立了新的物理学。一代年轻的物理学家花了12年时间终于实现了他的梦想，并于1922年获得诺贝尔奖。
波尔的解释有两个理论贡献：
1. 光学方面，确立了发光的本质是电子释放能量，为解释热辐射奠定了基础。
2，量子理论方面，确立了光的粒子性和量子化机制，延伸出了波粒二象性和物质波，量子力学向成熟迈进一步。
激光
一个应用方面的贡献，激光的理论基础，摆脱了白炽灯的单一光源，出现了LED和激光Laser。
1917 年，阿尔伯特·爱因斯坦提出受激发射理论，为激光奠定了基础。 第一台功能性激光器由西奥多·梅曼于 1960 年发明。 激光彻底改变了医学、工业和娱乐等领域。是今天日常生活中必不可少的组成部分。
物质波
1924年光子和电子的波粒二象性和物质波
光子和电子的相互转化特性催生了波粒二象性wave-particle dualism。
1924年，法国科学家德布罗意（Louis de Broglie,1892~1987）根据类比的方法，在博士论文中写道：既然量子理论说明波动的光同时也是粒子，那么我们认为是粒子的电子，也应该可以是波。
德布罗意波长=λ=h/p，
λ是波长，
h是普朗克常数，即h=6.62607015×10^（-34） J·s，
p为物质的动能，p=mv，m=质量，v=速度
即：波长λ正比于普朗克常量h，反比于动量mv。质量越小的物质，其物质波就越长。
1927年，电子的波动性质被证明，1929年德布罗意获得诺贝尔奖。
此公式可以用于任何宏观物体或者微观粒子，故德布罗意波也被称为物质波（或德布罗意波）。
我们周围的宏观物体，波长至少在λ≈10^-20的量级以下。因为波长太小，宏观物体无法体现其波动性。
人的质量约为50KG，以博古特的速度奔跑10m/s，则有人的波长λ=h/(mv)=6.63*10^-34/(50*10)=1*10^-36m，低于普朗克长度。
将棒球的动能（棒球的质量0.1kg与速度3m/s）代入λ=h/p这个公式，得出棒球的德布罗意波长λ=h/(mv)=6.63*10^-34/(0.1*3)=2.21*10^-33m，仅为原子核半径的万亿分之一，短到几乎无法观察到。
想要使物质波变得明显（波长变长），就要缩小物质的质量，以电子为例，假设电子以0.1倍的光速运动，电子的质量等于9.10956×10^-31kg千克，那么电子的物质波波长就会变大，相当于一个原子的直径，更加直观来说：一个电子的波长是一个棒球波长的1000多倍。
当加速电压为50～100千伏时，电子束波长约为0.0053～0.0037纳米（3-6皮米），属于伽马射线的波段。
X光的波长范围大约在0.01纳米到10纳米，γ射线位于电磁波谱的最右端，波长极短（通常小于0.1纳米），目前已经探测到的太空来的最短的电磁波（伽马射线）波长为8.856×10^-22米，理论上可探测的波长最短的电磁波（伽马射线）的波长为普朗克长度（约为1.6×10^-35米），目前无法探测。
从此物理学界建立了光(电磁波)生电、电生光的机制。
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