晏成和、曹铭壬

提要：在导线内定向移动的电子能使外边的小磁针偏转。这是大自然在提示我们：电子的运动伴生着电磁波。电子振动所伴生的电磁波的宏观表现是不同频率的光。

电子振动由两种原因所引发，一是高温物质核外电子的跃迁所引发的振动，我们把这种高温物质核外电子的跃迁所形成的光源叫热光源。二是电子在磁场或电场作用下引发的受激振动，这样的电子振动与温度无关，我们把这种不需要高温而使电子振动所形成的光源叫冷光源。

关键词：电子运动 伴生 电磁波 跃迁 热光源 受激振动 冷光源

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：光源为什么能发光？光源中的光来自于哪里？光源中的光是怎样形成的？

几十万年前，人类发明了用火，橙红色的火焰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，铁也能烧红、玻璃能烧红、石头也能烧红，为什么所有的物质烧到高温时都要发红光？ 自然物质如岩浆、铁水、火焰、灯丝等在热到一定的程度为什么就会发光？

现代研究表明，光是一种电磁波，红光、橙光、蓝光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。物质原子中的电磁波是哪里来的？电磁波难道会无中生有？

面对此问题，我们不得不先来回顾一个我们熟知的物理实验，在这个实验里，电磁波出现与电子运动有着密切的伴生关系，由此看一看电磁波是从哪里来的。

在初中，物理电学的一堂实验课，当导线导通时，电珠发光，导线周边的小磁针立即偏转，杂乱的铁粉在直流导线周围形成了规则的同心圆。用右手定测能测定电流方向与磁场之间确定的关系。断开，小磁针立即复原，这就是著名的奥斯特实验。见图一。

图一

这个实验，揭示了电子运动与磁场发生密切的依存关系。自从18世纪人类发明了电，随即就发现了电的磁现象，电和磁相依相存密不可分，这种现象在中学物理中已有详尽的表述，电流（电子的流动）周围伴生着磁场，而且磁力线的方向与电流方向密切相关已被无数个实验所证明……

电流是电子的定向流动，磁场是电磁波的集合。在导线内定向移动的电子，无一例外地使周边的小磁针偏转，电子运动产生着磁场，这是几十亿人见证的明显的宏观现象，是科学所必须尊重的自然事实。

我们还注意到：运动的电子在磁场作用下能发生偏转，用左手定测能确定偏转方向（因此，才有扫描形成电视显像管），电子的运动为什么能发生偏转？事实告诉我们，磁场并不能对一般粒子起作用，磁场只能对磁性（或可磁化）物质产生作用。磁场能使每个电子发生偏转，说明这每个电子运动时都伴生着电磁波。即：电子是粒子，电子在运动时伴生着电磁波。

现代，探究 奥斯特实验仍然意义重大， 在导线内定向移动的电子能使外边的小磁针偏转， 而且磁场伴随着电子的运动立即发生。 其微观的效应是什么？ 这是大自然在提示我们：电子的运动伴生着电磁波。

伴生 ，一个生物学名词，伴随着生存。在此用到了物理上——伴随着发生。

场是波的集合，波是场的本源。大量电子运动所伴生的是电磁波的集合——电磁场，那么，每个电子运动都伴生着电磁波。

除了电流——电子的定向运动，原子的核外电子也是在不停地运转着，运转着的电子也会伴生着电磁波。上述物质， 岩浆、铁水、火焰、灯丝 的发光，就来自于核外电子跃迁运动所伴生的电磁波，也就是高温物质运转着的核外电子跃迁所辐射的电磁波。

当然，常温下物质的核外电子也是在运转着，只是速率较低，这时跃迁辐射的电磁波频率大多在红外线范畴，所涉及的是传热，不在本文讨论。

电磁波的发生与电子的运动相依相伴，这是自然事实，是我们科研的本源。

依照运动状态介分，电子运动分为线性运动和振动，在不同的运动状态下，电子运动所伴生的电磁波也大不相同。核外电子的绕核运动及在导电时电子的流动是电子的线性运动，线性运动所伴生的电磁波的宏观表现是磁场。此外，与发光息息相关的是电子的振动。电子在磁场或电场作用下会发生振动、当温度较高时核外电子的跃迁运动也是一种振动，电子振动所伴生的电磁波的宏观表现是不同频率的光。

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波，光的形成是由于电子振动所伴生的电磁波。而不是所谓的光子。

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，大量电子振动所伴生的电磁波辐射形成了光源。

因为电子的运动伴生着电磁波，电子的振动是电磁波辐射的必要条件。

电子振动由两种原因所引发，一是高温物质核外电子的跃迁所引发的振动，这种振动需要物质的温度大大高于环境温度，运转速率很高的核外电子跃迁辐射才能达到可见光的频率，我们把这种高温物质核外电子的跃迁所形成的光源叫热光源。二是电子在磁场或电场作用下引发的受激振动，这样的电子振动与温度无关——物质发光不需要高温，我们把这种不需要高温而使电子振动所形成的光源叫冷光源。

这样，依据发光物质发光时温度的高低——是跃迁运动还是受激振动，我们把光源分为热光源和冷光源。

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）。

因为冷光源的发光只是电子在磁场或电场作用下发生振动所伴生的电磁波，仅仅与电子振动的频率、振幅相关，与核外电子运转的速率无关、与物质的温度无关， 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（ LED）等。

日光灯：日光灯的光是在高电压电场作用下，电子穿过水银蒸汽和氖气混合气体时使得这些气体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，只是在电子经过气体表面时气体核外电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。

霓虹灯：霓虹灯的发光原理与日光灯相似，也是在高电压的作用下，电子穿过气体，引起气体表层电子发生振动而发光。如果在灯管中充氖气则发红光，充氩气则发紫光，充水银蒸汽则发灰绿色的光，于是城市的夜空就有了这五颜六色的光彩闪耀。不同的光彩是不同频率的电磁波，霓虹灯向我们昭示：不同的气体其核外电子的速率是各不相同的，其运动的频率是稳定的。

极光：极光是在地球两极附近大自然所发出的彩色天光。极光发生在100至 300公里的高空，电离层游离电子在运动时所伴生的磁场与地球磁场相互作用，使电子发生激烈振动而伴生的电磁波。极光也是冷光，极光的发生与高空电子流运动的方向、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。

半导体发光（LED）：近年来，半导体发光以发光效率高（ 90%）、能有各种色彩、响应快、能制成各种形状而深受人们的青睐。

半导体是在4价、5价晶体中通过参杂、组合而具有特殊效能的电路原件，如二极管、三极管， LED就是一种发光二极管。

发光二极管的工艺是：在纯的半导体晶体中参入少量的3价元素，形成Ｐ型（缺少电子或带正电型）晶体；在纯的半导体晶体中参入少量的高价电子元素，形成Ｎ型（多出电子或带负电型）晶体；在Ｐ型晶体与Ｎ型晶体结合处就形成ＰＮ结。

当电流从Ｎ流向Ｐ，在ＰＮ结处因有多出和缺少电子相连，形成了电子运动的紊乱，一些电子因外来电子的干扰而发生振动。电子的低频振动发出红外线，半导体发热；电子的高频振动发出电磁波使得半导体发光。

依照参杂的材料不同或电压的高低，发光二极管能发出不同频率（色彩）的亮光。因为这种电子的振动不是跃迁运动，所以发光二极管属冷光源，发光效率很高，能制成节能的照明灯。而且这种发光能随电流的变化而立即改变，响应达到毫秒级，因而能制成高质量的平板显示器。

2007-8-19

参考文献

晏成和 著 《物理新视点》