發(fā)光物理學 課件 一、固體發(fā)光

《發(fā)光物理學》-----材料與器件北京理工大學物理學院納米光子學與超精密光電系統(tǒng)北京市重點實驗室1、《發(fā)光學與發(fā)光材料》，徐敘瑢、蘇勉曾主編，化學工業(yè)出版社，20042、《無機光致發(fā)光材料及應用》，張中太、張俊英編著，化學工業(yè)出版社，20053、《固體光譜學》，方容川，中國科學技術大學出版社，2001參考書：考核方式考試：平時成績（30%）+期末成績（70%）第1章發(fā)光的定義及分類1.1發(fā)光的定義1.2發(fā)光的分類1.2.1光致發(fā)光1.2.2電致發(fā)光1.2.3陰極射線發(fā)光1.2.4X射線及高能粒子發(fā)光1.2.5化學發(fā)光1.2.6生物發(fā)光第2章基本物理過程及現(xiàn)象2.1光的吸收、反射及折射2.1.1固體中的光學常數(shù)2.1.2光在界面上的反射和折射2.1.3介電常數(shù)的色散和Kramer-Kronig關系2.2Einstein關系和Einstein自發(fā)輻射系數(shù)2.2.1Einstein關系2.2.2Einstein自發(fā)輻射系數(shù)2.3譜線的寬度和線形2.3.1非均勻線寬2.3.2均勻線寬2.3.3動態(tài)非均勻線寬第3章半導體的發(fā)光第4章分立中心的發(fā)光第5章特殊結構物質的發(fā)光第6章發(fā)光動力學問題的計算機模擬第7章發(fā)光在照明和其他光源中的應用第8章顯示技術第9章發(fā)光在探測中的應用第10章主要發(fā)光材料第11章發(fā)光材料的制備第12章發(fā)光材料的表征及測量技術第13章視覺與顏色第14章發(fā)光分析第15章同步輻射原理與應用簡介發(fā)光學的發(fā)展簡介“發(fā)光材料與器件國家重點實驗室”（華南理工大學，2011）主要研究方向：發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象、探索新原理、設計新材料和發(fā)展新技術。

發(fā)光學是凝聚態(tài)物理學的重要分支。傳統(tǒng)意義上的發(fā)光學是著重研究凝聚態(tài)物質中的發(fā)光過程（LuminescenceProcesses）。1987年第8屆國際發(fā)光學術會議上，將發(fā)光學研究領域的核心內涵拓展為研究凝聚態(tài)物質中與激發(fā)態(tài)相關的全部物理過程（Luminescence－ExcitedStateProcesses）。

發(fā)光學的研究內容涵括了凝聚態(tài)物質中的各種激發(fā)過程與元激發(fā)的產(chǎn)生及其動力學過程，激發(fā)態(tài)間的能量傳遞與能量輸運過程，激發(fā)態(tài)與其它輻射場的相互作用過程及其能量轉換過程，激發(fā)態(tài)到低能態(tài)的自發(fā)發(fā)射、受激發(fā)射與無輻射馳豫過程等物理過程。已成為認識與揭示凝聚態(tài)物質中的激發(fā)與能量轉換過程客觀規(guī)律的基礎理論和基本方法。伴隨著科學技術的高速發(fā)展，發(fā)光學與應用的結合變得越發(fā)緊密，并正在由基礎物理科學向著與材料科學、信息科學、化學科學、生命科學、能源科學等多學科交叉的方向發(fā)展。發(fā)光學已成為研究、探索與發(fā)展高效發(fā)光、激光、光電顯示、光電轉換等新型光電功能新材料、新器件與新技術的理論基礎與研究手段。并在光源新技術和信息顯示新技術等產(chǎn)業(yè)領域起著引領和先導作用。中國首片自主研發(fā)8.5代TFT-LCD基板下線據(jù)人民日報客戶端2019年9月18日報道，當天下午，中國首片8.5代TFT-LCD玻璃基板產(chǎn)品在安徽蚌埠正式下線，這標志著我國自主研發(fā)的該產(chǎn)品將實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。TFT-LCD玻璃基板是液晶顯示面板的核心部件，是電子信息顯示產(chǎn)業(yè)的關鍵戰(zhàn)略材料，其生產(chǎn)控制精度與半導體行業(yè)相當，代表著目前全球現(xiàn)代玻璃規(guī)?；圃祛I域的最高水平。近年來，我國光電顯示產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，以京東方、華星光電、惠科集團、中電熊貓為代表的液晶面板生產(chǎn)商已在國內建設多條8.5代(尺寸：2.2m×2.5m)TFT-LCD面板生產(chǎn)線，我國已成為全球最大的信息顯示產(chǎn)業(yè)基地，年需8.5代及以上TFT-LCD玻璃基板3.8億平方米。一、固體發(fā)光學；二、磷光與熒光三、上轉換材料及其發(fā)光機理四、發(fā)光材料與器件基礎五、比爾定律；

六、稀土發(fā)光材料七、能量傳遞與輸運八、光致發(fā)光；

九、電致發(fā)光十、LED-激光發(fā)光原理通過深入淺出的講解使同學們對光與物質相互作用的基本物理現(xiàn)象；固體發(fā)光的條件、過程和規(guī)律；發(fā)光材料和器件的設計原理、制備方法和應用等有一個較為全面的認識和了解。課程目的與任務課程內容目錄（1）“有光的發(fā)射就是發(fā)光”，這一說法是否正確？（錯誤）（正確）（2）激發(fā)停止后，發(fā)光一定會延續(xù)一段時間。（3）陰極射線發(fā)光，是由電子束（陰極射線）發(fā)射的。（4）日光燈和PDP熒光粉的發(fā)光都是光致發(fā)光。（1）發(fā)光材料要發(fā)光就必須首先吸收能量。（2）一般來說，發(fā)光材料的量子效率不超過100%。（3）無輻射躍遷會降低材料的發(fā)光效率。（正確）（正確）（正確）（4）發(fā)光經(jīng)歷的物理過程按下列順序發(fā)生：激發(fā)輻射躍遷無輻射躍遷能量傳遞。課堂練習第一章緒論發(fā)光：即Luminescence一詞，作為一個技術名詞，是專指一種特殊的光發(fā)射現(xiàn)象。自然界很多物體（包括固體、液體和氣體，有機物和無機物），都具有發(fā)光的性能。如發(fā)光水母一樣的“希望樹”種子；郁郁蔥蔥、奇妙的發(fā)光森林；可當房子居住的參天巨樹；色彩斑斕神氣活現(xiàn)的茂密雨林……影片《阿凡達》：男主角杰克潘多拉星球AVATAR

非洲北部有一種發(fā)光樹，白天與普通樹沒區(qū)別。但每到晚上，從樹干到樹枝通體會發(fā)出明亮的光。由于這種樹發(fā)出的光比較強烈，當?shù)厝私?jīng)常把它移植到自家的門前作為路燈使用。在夜間，人們可以在樹下看書甚至做針線。發(fā)光樹：（科學家解釋：這種樹之所以會發(fā)光，是因為其樹根特別喜歡吸收土壤中的磷。這種磷會在樹體內轉化成磷化氫，而磷化氫一遇到氧氣就會自燃，從而使得樹身磷光閃爍。）

發(fā)光樹不僅在非洲有，在烏克蘭西部甚至有一個能在夜間發(fā)出奇光的“發(fā)光森林”。長約1.8萬米，寬約5000米。白天看起來與一般森林沒有什么兩樣，可是一到夜間，整個樹林像用熒光粉涂過一樣閃著耀眼的光。據(jù)稱，這片森林不僅會發(fā)光，如果人靠近的話，還會有一種熱乎乎的感覺。更加奇怪的是，這片林子里沒有任何飛禽走獸，甚至連昆蟲都沒有。（科學家猜測：這一地區(qū)可能有強烈的放射性輻射，草木吸收這些放射性元素后，也產(chǎn)生了發(fā)光效應。）

發(fā)光樹：幾年前，我國江蘇省丹徒縣高橋鄉(xiāng)發(fā)現(xiàn)了一棵會發(fā)光的柳樹，每當夜晚來臨時，它便閃爍著淡藍色的光芒，即使在狂風暴雨之夜，也不熄滅。據(jù)英國《每日郵報》報道，2013年，科學家正在培育一種“生物發(fā)光樹（Glowingtrees）”，未來它將成為天然的路燈，而無需電能供給。非常環(huán)保。英國劍橋大學的研究小組正在研制一種特殊的基因，該基因具備螢火蟲的生物發(fā)光特征，未來可植入不同類型的生物體。如果利用該基因培育樹木，它將有效地替換傳統(tǒng)路燈，生物發(fā)光植物還將為那些沒有輸電網(wǎng)絡的居民帶來生活便利。螢火蟲

櫛水母生物界說到發(fā)光，首先想到螢火蟲，除此之外大自然中還有許多能夠發(fā)光的生物，如一些生活在海里的魚、蝦、水母、珊瑚、貝類和蠕蟲等。百慕大三角洲發(fā)現(xiàn)的熒光蝦日本富山灣海下棲息著大量熒光烏賊，有時，上百萬的熒光烏賊聚集在一起，可以把整個海灣照亮。發(fā)光蚯蚓美國南部生活著一種長達45厘米的發(fā)光蚯蚓。這種蚯蚓一旦被傷害，就會分泌出閃爍著藍光的黏液。鐵路蠕蟲身上長有兩種不同的發(fā)光器官。仿佛圣誕樹一般，頭部發(fā)出紅光，身子閃爍綠光。通常能強烈發(fā)光的植物多是低等菌類植物(如細菌、真菌和藻類植物)。平時也會見到一段發(fā)朽的樹樁、木塊，能夠在黑暗中發(fā)出藍白色的熒光，研究發(fā)現(xiàn)，樹樁已被假蜜環(huán)菌寄生，它能使木材腐爛，還分泌一些能分解木材的酶，這些酶可以將纖維素、木質素轉化為真菌能夠吸收的小分子物質，假蜜環(huán)菌的菌絲細胞得到這些食物后就開始不停地繁衍、長大，同時積累大量能夠用來產(chǎn)生熒光的物質。

這些帶熒光的物質在熒光酶的催化作用下進行生物氧化，并把化學能轉化為光能，就是我們看到的這種生物發(fā)光了。熒光菌發(fā)光蘑菇發(fā)光菌類植物：古代“夜明珠”，是指能夠在夜晚（或暗室中）自行發(fā)光的天然物體。而且這種光是人用肉眼能夠直接看到的光。螢石（Fluorite）

夜明珠：發(fā)光原理礦物內的電子在外界能量的刺激下，會由低能狀態(tài)進入高能狀態(tài)，當外界能量刺激停止時，電子又由高能狀態(tài)轉入低能狀態(tài)，這個過程就會發(fā)光。螢石在日光燈照射后可發(fā)光幾十小時，這種光相對微弱，白天看不見，夜里看很亮。

20世紀40年代，前蘇聯(lián)科學家基利安夫婦發(fā)現(xiàn)：在置于高頻電場中的生物體周圍，會閃動著色彩絢麗的光環(huán)和光點，而當生物體死亡后，這種光環(huán)和光點也隨著消失。人們把這一現(xiàn)象稱之為“基利安效應”或“生命之光”。同法研究人體，驚奇的發(fā)現(xiàn)人體的各部位發(fā)出的光有不同的顏色：手臂是藍色的、心臟是深藍的、臀部是濃綠色的。更有趣的是，人體某些部位發(fā)出的光非常強，恰好與古代中國人發(fā)現(xiàn)的700多個穴位相對應。人體會發(fā)光嗎？與基利安一起工作多年的阿達盂柯，將新鮮樹葉切除多達10%，但是在其輻射場攝影照片上，仍能清晰地看到被切除的部分，只是較暗淡一些而已。這又是一樁怪事。是什么原因造成這些奇妙的“生命之光”呢？眾說紛紜，主要有以下幾種：一種認為：由于活體周圍存在著能量環(huán)流，這些能量環(huán)流或許是以“生物等離子體”的形式存在的。生物等離子體有其特殊的空間結構。對于人體來說，與情緒、生理等多種原因有關。而基利安現(xiàn)象正反映了這些“生物等離子體能量”的分布情況。另一種觀點認為：由于生物體在高頻電壓電場內，發(fā)射出高速帶電微粒流。這些高壓帶電粒子與空氣分子碰撞，使空氣分子電離，當正離子密度足夠大時，由于復合導致發(fā)光，因此光圖像隨著電場分布而變化。而人們的心理狀態(tài)、生理狀態(tài)等也影響這一生物電場的分布。至于怎樣解釋生物體表面各部分光圖像的顏色和強度的顯著差別，仍各說不一。還有人認為可從人類未知的能量狀態(tài)和未知的輻射角度或從氣功、針灸等古老實踐與基利安效應的明顯聯(lián)系上去探求答案。最近，一則新聞報道稱：日本科學家通過一個實驗，發(fā)現(xiàn)人體可以發(fā)出一種微弱的可見光，而且光的強度在一天內還會起伏波動，發(fā)光最弱的時候是上午10點，發(fā)光最強的時候是下午4點，之后逐漸變弱。這些發(fā)現(xiàn)顯示，發(fā)光和我們的生物鐘有關，最可能與我們的代謝節(jié)律在一天中的波動狀況有關。

面部發(fā)光比身體其他部位發(fā)出的光更多。這可能是因為面部比身體的其他部位日曬更多，它們接受了更多的陽光照射，膚色中的黑色素有熒光成分，這可能會增加光的“產(chǎn)量”。人的身體真的會發(fā)光嗎？下午4點時發(fā)光最強?History1879,Incandescentlightbulb1959,halogenlamp(鹵鎢燈)1969,redLED1962,metalhalidelamp1961,highpressuresodiumlamp1976,greenLED1983,fluorescentlamp1993,blueLED1999,whiteLEDoillampindoorlighting發(fā)光材料手電、路燈信號燈汽車燈大屏幕手機背光源陰極射線一、發(fā)光現(xiàn)象二、激發(fā)方式三、發(fā)光材料（1）發(fā)光與熱輻射的區(qū)別（2）發(fā)光與其他非平衡輻射的區(qū)別發(fā)光體受外界作用而發(fā)光,發(fā)光學中稱這種作用為“激發(fā)”。根據(jù)激發(fā)方式，區(qū)別發(fā)光類型。發(fā)光材料是指能夠以某種方式吸收能量，將其轉化成光輻射（非平衡輻射）的物質材料。概括說：發(fā)光是物體內部以某種方式吸收的能量轉化為光輻射的過程。當某種物質收到激發(fā)（射線、高能粒子、電子束和外電場等）后，物質將處于激發(fā)態(tài)，激發(fā)態(tài)的能量會通過光或熱的形式釋放出來。如果這部分的能量是位于可見、紫外或是近紅外的電磁波輻射，此過程稱之為發(fā)光過程。物體發(fā)光的條件、過程和規(guī)律；發(fā)光材料和器件的設計原理、制備方法和應用；以及光和物質的相互作用等基本物理現(xiàn)象。一、發(fā)光現(xiàn)象發(fā)光學內容32發(fā)光的定義固體中的電子受到外界能量的激發(fā)(如光吸收），從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，這是一種非平衡態(tài)。處于激發(fā)態(tài)的電子具有一定的壽命，以一定幾率回落到基態(tài)，并把多余的能量以各種形式釋放出來。如果以光能的形式釋放，稱為發(fā)光過程。任何物體在一定溫度下均有熱輻射（熱發(fā)光）。為了區(qū)分其它發(fā)光形式與熱發(fā)光，嚴格的固體發(fā)光概念不包含熱發(fā)光。發(fā)光現(xiàn)象有兩個主要特征：發(fā)光為固體吸收外界能量后，所發(fā)出的總輻射超出熱發(fā)射的部分。（發(fā)光的定義，指出了與熱輻射的區(qū)別）外界激發(fā)源對物體的作用停止后，發(fā)光現(xiàn)象會持續(xù)一段時間。（發(fā)光與散射、反射等現(xiàn)象的區(qū)別）并非一切光輻射都稱為發(fā)光。發(fā)光是光輻射一部分。(發(fā)光為固體吸收外界能量后，所發(fā)出總輻射超出熱發(fā)射的部分。)**注意**：平衡輻射：是熾熱物體的光輻射，又叫熱輻射。非平衡輻射：在某種外界作用激發(fā)下，物體偏離原來的熱平衡態(tài)所產(chǎn)生的輻射。發(fā)光是其一種。光輻射=平衡輻射+非平衡輻射起因于物體的溫度（T）。熱平衡(準平衡),相應于熱輻射。熱輻射體的光譜只決定于輻射體的溫度及其發(fā)射本領。熱輻射是一種平衡輻射，基本上只與溫度有關，而與物質本身無關。熱輻射：溫度在0K以上的任何物體都有熱輻射，但溫度不夠高時輻射波長大多在紅外區(qū)，人眼看不見。物體的溫度達到5000℃以上時，輻射的可見部分就夠強了，例如燒紅了的鐵，電燈泡中的燈絲等等。（1）發(fā)光與熱輻射的區(qū)別：

開始不發(fā)光→→→黃白色橙色暗紅發(fā)光：疊加在熱輻射之上的一種光發(fā)射。發(fā)光材料能夠發(fā)出明亮的光，而它的溫度卻比室溫高不了多少。因此，發(fā)光有時也被稱為“冷光”。煉鋼的熱輻射非平衡輻射有許多種，除了發(fā)光以外，還有反射、散射等。光輻射的特征一般可用5個宏觀光學參量描述：亮度、光譜、相干性、偏振度和輻射期間。（2）發(fā)光與其他非平衡輻射的區(qū)別：亮度：亮度高低不能區(qū)分各種類型的非平衡輻射。光譜改變及非相干性：不僅在發(fā)光中存在，在聯(lián)合散射和康普頓-吳有訓效應中也有。而且，作為在特定條件下的發(fā)光，如激光（受激發(fā)射）及超輻射（特殊條件下的自發(fā)發(fā)射），具有相干性。偏振度：在發(fā)光現(xiàn)象中并沒有帶普遍性的特點。輻射期間：是判據(jù)。發(fā)光有一個比較長的延續(xù)時間(Duration)，這個延續(xù)時間有長有短，總之都比反射、散射的持續(xù)時間長很多。輻射期間：

輻射期間是指去掉激發(fā)后，輻射還可延續(xù)的時間。此延續(xù)時間長可達幾十小時，短也有10-10秒左右，總之都比反射、散射的持續(xù)時間（~10-14秒）長很多。在激發(fā)（Excitation，即外界作用）停止后發(fā)光不馬上消失而是逐漸變弱，這個過程稱為余輝（afterglow）。熒光(Fluorescence)VS.磷光(Phosphorescence)無機物發(fā)光領域這兩詞仍沒有嚴格區(qū)分，甚至混淆。但在有機物發(fā)光中，分子從單態(tài)（singletstate）躍遷到基態(tài)（也是單態(tài)）的發(fā)光叫熒光；從三重態(tài)（tripletstate）躍遷到基態(tài)的發(fā)光叫磷光，這是不容混淆的。值得注意的是，此處的10-10秒數(shù)量級指標有點任意性，依賴于技術測量水平。隨著科技的發(fā)展，測量時間已突破飛秒（10-15秒）。實測到的發(fā)光弛豫時間短到皮秒（10-12秒）的例子已不少。對于除了發(fā)光中心之外，還有敏化中心的情況來說名稱激發(fā)方式光致發(fā)光光的照射電致發(fā)光氣體放電或固體受電的作用陰極射線發(fā)光電子束的轟擊放射線發(fā)光核輻射的照射X射線發(fā)光X射線的照射摩擦發(fā)光機械壓力化學發(fā)光化學反應生物發(fā)光生物過程發(fā)光體受外界作用而發(fā)光,發(fā)光學中稱這種作用為激發(fā)。根據(jù)激發(fā)方式，區(qū)別發(fā)光類型。二、激發(fā)方式用光激發(fā)產(chǎn)生的發(fā)光。光源波長可以從紫外-可見-紅外波段。光致發(fā)光PL(Photoluminescence)

應用1：固體激光器和日光燈，即作為光源。新型長余輝材料SrAl2O4:Eu,Dy，過去是ZnS:Cu型或堿土金屬硫化物類。應用2：物理上，可用從紫外-紅外各波長來激發(fā)，可研究物質結構和它接受光能后內部發(fā)生的各種變化過程（包括固體中的雜質和缺陷以及它們的結構、能量狀態(tài)的變化，激發(fā)能量的轉移和傳遞，以至化學反應中的激發(fā)態(tài)過程、光生物過程等等）。熒光燈白光LED上轉換材料實例1：發(fā)光二極管(light-emittingdiode,LED)LED是半導體的電致發(fā)光，利用電流通過p-n結發(fā)光。LED已是家用電器上不可缺的元件，家喻戶曉。（“少數(shù)載流子的注入發(fā)光”）LED也用于大屏幕顯示。實例2：夾在兩平行板電極間薄層材料產(chǎn)生的發(fā)光。可用于計算機液晶顯示屏的背照明。(材料可以是蒸發(fā)的薄膜，也可以是和絕緣材料混合涂敷的發(fā)光粉末；所加電壓可以是交流或直流。)

（“多數(shù)載流子被加速碰撞發(fā)光中心的發(fā)光”）電致發(fā)光EL（Electroluminescence）

用電場或電流產(chǎn)生的發(fā)光，最初譯成“場致發(fā)光”。過去，高亮度電致發(fā)光主要是由無機材料產(chǎn)生的。八十年代后期，在有機材料中也獲得了明亮的p-n結發(fā)光，其相應研究也蓬勃開展起來。如：電弧放電、火花放電、輝光放電是電子束激發(fā)的發(fā)光。應用：電視顯像屏，當然還包括計算機、電子顯微鏡和各式各樣電子儀器的顯示屏。陰極射線發(fā)光CL(Cathodoluminescence)

70年代還發(fā)現(xiàn)了一種低到幾伏至幾十伏的電子激發(fā)的發(fā)光，叫做低能電子發(fā)光，資料中也常稱為真空熒光(Vacuumfluorescence)。不過能產(chǎn)生這種熒光的物質極其有限，迄今為止，能實際應用的只有ZnO一種。但從事顯示研究的科技人員仍對之很感興趣，因為它們亮度極高。目前市場上仍然有產(chǎn)品。所使用的電子能量常在幾千至上萬eV。高能電子束進入發(fā)光體后撞擊晶格，產(chǎn)生數(shù)量增多的電子(次級電子)，次級電子又會產(chǎn)生…能量不斷減小，數(shù)量倍增。最后大量、能量只有幾個eV的電子激發(fā)發(fā)光材料的效率達到最大，材料因此強發(fā)光。放射線發(fā)光RL(Radioluminescence)

應用：醫(yī)用X光透視屏和攝像增感屏。是各種射線（如α、β、γ等核輻射）激發(fā)的發(fā)光。應用：輻射劑量計。

X射線發(fā)光RL(Radioluminescence)

上述射線都是高能量的，主要是通過產(chǎn)生的次級電子激發(fā)發(fā)光。輻射防護服工作原理自然界中的一切物體,只要溫度在絕對溫度零度以上,都以電磁波的形式時刻不停地向外傳送熱量,這種傳送能量的方式稱為輻射。物體通過輻射所放出的能量，稱為輻射能。輻射按倫琴/小時(R)計算。輻射可以分為粒子輻射和電磁波輻射，其中粒子輻射包括中子輻射、質子輻射和電子輻射等，電磁波輻射分為X射線、紫外線和微波輻射等。這些輻射對人體的危害較大，其中電磁波輻射和中子輻射比較難防護。

輻射防護服應該具有良好的導電性能，還要有很好的加工性能，生產(chǎn)此種防護服的材料有金屬纖維及其混紡交織織物、真空鍍層織物、金屬涂層織物、硫化銅織物和化學鍍金屬織物等。電磁輻射的兩種類型：電離輻射和非電離輻射。電離輻射包含足夠電磁能量，足以使原子和分子與組織分離，并改變人體內化學反應，伽馬射線和X射線是兩種形式的電離輻射；非電離輻射一般情況下是安全的，非電離輻射產(chǎn)生一些熱效應，但是通常不足以對組織產(chǎn)生任何類型的長期損害，射頻能量、可見光和微波輻射被認為是非電離輻射。因為電磁場在導電介質中傳播時，其場量（E和H）的振幅隨距離的增加而按指數(shù)規(guī)律衰減。從能量的觀點看，電磁波在導電介質中傳播時有能量損耗，因此，表現(xiàn)為場量振幅的減小。導體表面的場量最大，愈深入導體內部，場量愈小。這種現(xiàn)象也稱為趨膚效應。利用趨膚效應可以阻止高頻電磁波透入良導體而做成電磁屏蔽裝置。一般采用電導率高的材料作屏蔽體，并將屏蔽體接地。它是利用屏蔽體在高頻磁場的作用下產(chǎn)生反方向的渦流磁場與原磁場抵消而削弱高頻磁場的干擾，又因屏蔽體接地而實現(xiàn)電場屏蔽。屏蔽體的厚度不必過大，而以趨膚深度和結構強度為主要考慮因素。電磁屏蔽是抑制干擾，增強設備的可靠性及提高產(chǎn)品質量的有效手段。合理地使用電磁屏蔽，可以抑制外來高頻電磁波的干擾，也可以避免作為干擾源去影響其他設備。如在收音機中，用空芯鋁殼罩在線圈外面，使它不受外界時變場的干擾從而避免雜音。音頻饋線用屏蔽線也是這個道理。示波管用鐵皮包著，也是為了使雜散電磁場不影響電子射線的掃描。在金屬屏蔽殼內部的元件或設備所產(chǎn)生的高頻電磁波也透不出金屬殼而不致影響外部設備。應用：緊急照明等。如市場上產(chǎn)品，一種含兩種隔離開化合物的透明容器，在需要時消除隔離使之混合產(chǎn)生化學反應而發(fā)光。這種產(chǎn)品能持續(xù)發(fā)光半小時以上，并有足夠亮度?；瘜W發(fā)光

(Chemiluminescence)生物發(fā)光

(Bioluminescence)是指生物體發(fā)光或生物體提取物在實驗室中發(fā)光的現(xiàn)象。它不依賴于有機體對光的吸收，而是一種特殊類型的化學發(fā)光，化學能轉變?yōu)楣饽艿男蕩缀鯙?00%。也是氧化發(fā)光的一種。生物發(fā)光的一般機制是：由細胞合成的化學物質，在一種特殊酶的作用下，使化學能轉化為光能。中國科大仿螢火蟲高強度長時間化學發(fā)光（Nat.Commun.,2017,DOI:10.1038/s41467-017-01101-6）萬米深淵的海底都生活著形形色色、光怪陸離的發(fā)光生物“熒光海灘”又稱“火星潮”，由發(fā)光浮游生物形成，這一現(xiàn)象是在馬爾代夫蜜月旅行的Will

Ho意外在海邊發(fā)現(xiàn)的，之后人們開始將這片發(fā)光海灘稱為“藍眼淚”。摩擦發(fā)光(Triboluminescence)是指某些固體受機械研磨、振動或應力時的發(fā)光現(xiàn)象。例如蔗糖、酒石酸等晶體受擠壓時發(fā)出閃光；合成的磷光體CaPO4:Dy3+用指甲劃痕，可觀察到很強的發(fā)光等。摩擦發(fā)光還泛指如下的發(fā)光過程：①應變激發(fā)發(fā)光[1]。壓電固體在受到研磨或振動時發(fā)生應變，因壓電效應產(chǎn)生高達10伏/厘米的局部場，場區(qū)因齊納擊穿產(chǎn)生電子空穴時，當它們復合時發(fā)出光來。也可能有一部分電子（或空穴）被陷阱俘獲，然后熱釋發(fā)光，稱為摩擦熱釋發(fā)光。②有的半導體（例如硅）受機械力而斷裂時，可見到藍色閃光，它是由斷裂的清潔表面上形成表面態(tài)以及載流子在表面態(tài)上的重新排列引起的，也可能是斷裂表面間的弧光放電引起的發(fā)光。撕膠帶時產(chǎn)生的發(fā)光發(fā)光陀螺原理1:內部裝有電池,有一個離心開關；2:當陀螺旋轉起來后，離心開關接通，內部閃光電路工作。閃光電子陀螺是一種從古代一直流傳到今天的小玩藝。閃光電子陀螺則是現(xiàn)代科技與傳統(tǒng)相結合的新穎電子玩具，它既保留了陀螺古樸的內涵，又體現(xiàn)了現(xiàn)代電子科技的誘人魅力，上圖是電子陀螺的電路圖。IC是一種非常特殊的聲光集成電路，它直接驅動5只發(fā)光二極管輪番閃亮，每只發(fā)光二極管閃亮的時間長短、閃亮的先后順序，都沒有規(guī)律，也可以說是完全隨機的。當電子陀螺轉動時，振動開關SB由于慣性作用會自動閉合，觸發(fā)IC工作，D1～D5逐一輪番閃亮，展現(xiàn)出一幅幅不同的圖案或字符。該IC還可用于制作魔幻指揮棒等新奇產(chǎn)品，如國外用它生產(chǎn)的一種警察用的夜間指揮棒，當用力一揮，指揮棒就顯示“STOP”字樣，非常有趣。

聲致發(fā)光(Sonoluminescence)：物體在高頻聲波作用下產(chǎn)生的發(fā)光現(xiàn)象。例如：液體受超聲波作用產(chǎn)生類似旋渦中的空腔，使連續(xù)性的液體斷裂，因此聲致發(fā)光也可看做是物體因斷裂引起的一種摩擦發(fā)光。氣泡破裂發(fā)生的聲致發(fā)光現(xiàn)象微等離子體，被認為是聲致發(fā)光現(xiàn)象產(chǎn)生的源頭。當強大的聲波作用于液體的時候，液體中會產(chǎn)生一種“聲空化”現(xiàn)象——在液體中產(chǎn)生氣泡，氣泡隨即坍塌到一個非常小的體積，內部的溫度可以超過10萬攝氏度，過程中會發(fā)出瞬間的閃光。這就是被稱為“聲致發(fā)光”的一種現(xiàn)象。聲波導致氣泡的產(chǎn)生緩慢膨脹急速壓縮發(fā)光發(fā)光材料是指能夠以某種方式吸收能量，將其轉化成光輻射（非平衡輻射）的物質材料。

物質內部以某種方式吸收能量，將其轉化成光輻射（非平衡輻射）的過程稱為發(fā)光。在實際應用中，將受外界激發(fā)而發(fā)光的固體稱為發(fā)光材料。它們可以以粉末、單晶、薄膜或非晶體等形態(tài)被使用，主要組分是稀土金屬的化合物和半導體材料，與有色金屬關系很密切。發(fā)光材料發(fā)光材料的應用照明光源：熒光燈中的熒光粉、LED照明顯示與顯像：電視機（陰極射線管，等離子體平板電視）、LED大屏幕顯示、交通指示。高能物理輻射探測：高能物理與核物理實驗。核醫(yī)學成像：計算機CT、單光子發(fā)射計算機斷層成像術(Single-PhotonEmissionComputedTomography，SPECT)和正電子發(fā)射斷層成像術(PositronEmissionTomography，PET)等。發(fā)光材料用于探測X射線或γ射線。示蹤劑和標記物：生物醫(yī)學領域，認識生命過程，例如熒光量子點。。。。。。。發(fā)光背景知識發(fā)光材料的形態(tài)原子能級及躍遷固體能帶基本理論發(fā)光材料的要求、構成發(fā)光的表征晶體理想晶體是由許多質點（包括原子、離子、分子或原子群等）在三維空間作有規(guī)則排列而成的固體物質。晶體的外形具有一定的對稱性，反映了晶體粒子在內部的規(guī)則排列。晶體包括單晶和多晶：單晶：整個晶格是連續(xù)的。多晶：由大量小單晶顆粒組成的集體。每個小晶粒的尺寸為微米量級，呈現(xiàn)出粉末狀態(tài)，如熒光粉。晶體材料具有高的發(fā)光效率，是發(fā)光材料的主要形態(tài)。發(fā)光材料的形態(tài)：晶體、非晶、納米晶和薄膜Bi4Ge3O12(BGO)單晶醫(yī)學成像用閃爍體用于探測X射線γ-CuI單晶閃爍體用于超快X射線探測(ColorRenderingIndex)是一種描述光源呈現(xiàn)真實物體顏色能力的量值。光源的演色性越高，其顏色表現(xiàn)就越接近理想光源或自然光。非晶非晶：組成物質的原子或離子排列不具有周期性，如玻璃，有時稱作無定形材料。非晶中質點的分布類似液體，所以非晶質體也可被認為是過冷液體，因此嚴格說來只有晶體才是固體。晶體與非晶的不同點在于晶體的內部質點排列是有規(guī)律的，長程有序，具有固定熔點，而非晶內部質點排列是無規(guī)律，長程無序但一般短程有序，沒有固定熔點。摻Tb3+發(fā)光玻璃用于閃爍探測非晶材料由于缺陷較多往往發(fā)光強度受到一定限制，但有些材料非晶態(tài)的制備比生長單晶容易且廉價，也被用作發(fā)光材料，例如玻璃閃爍體。納米晶顆粒尺度小于100nm的晶粒組成的發(fā)光材料。與多晶材料（尺度～微米量級）相比，其尺度可以更小。顆粒尺度的減小，具有更大的比表面積，表現(xiàn)出較為明顯的量子限制效應，對于提高發(fā)光強度，調節(jié)發(fā)光波長具有特殊作用。納米晶可以單獨存在，也可以摻入玻璃材料中，形成納米晶玻璃。薄膜在合適的襯底上鍍上發(fā)光材料，可以制備出發(fā)光薄膜。這層發(fā)光材料的形態(tài)可以是單晶、多晶甚至是非晶。某些應用場合需要采取薄膜的形態(tài)。原子的能級由量子力學得出的氫原子能級圖（右圖所示）玻爾理論的一條能級對應于電子的一種軌道量子力學的一條能級，則對應于電子的一種狀態(tài)；每個狀態(tài)用量子數(shù)n,l,m，ms

來描述。6

51234能級:粒子的內部能量值高能級:能量較高的能級低能級:能量較低的能級基能級:能量最低的能級(相應的狀態(tài)稱基態(tài)）激發(fā)能級:能量高于基能級的其它所有能級(相應狀態(tài)稱激發(fā)態(tài))6

51234激發(fā)態(tài)基態(tài)輻射躍遷和非輻射躍遷1.躍遷:粒子由一個能級過渡到另一能級的過程2.輻射躍遷:粒子發(fā)射(或吸收)光子的躍遷(滿足躍遷選擇定則)①發(fā)射躍遷:粒子發(fā)射一光子ε=hγ=E2－E1而由高能級躍遷至低能級;②吸收躍遷:粒子吸收一光子ε=hγ=E2－E1而由低能級躍遷至高能級.E2E1E2E13.無輻射躍遷:既不發(fā)射又不吸收光子的躍遷(通過與其它粒子或氣體容器壁的碰撞、或其它能量交換過程)4.亞穩(wěn)態(tài):若某一激發(fā)能級與較低能級之間沒有或只有微弱的輻射躍遷,則該態(tài)的平均壽命會很長(≥10-3秒),稱亞穩(wěn)能級,相應的態(tài)為亞穩(wěn)態(tài)。一般的原子能級壽命

10-8~10-9S

如H原子：2p態(tài)的能級壽命

0.16×10-8S3p態(tài)的能級壽命

0.54×10-8S。

亞穩(wěn)態(tài)：如He原子的兩個亞穩(wěn)態(tài)能級

(20.55eV)：~10-4S(19.77eV)：~10-6S

原子光譜的產(chǎn)生

物質由同種或不同種原子組成，每種原子都有一定的結構。在一定條件下，氣態(tài)原子能夠從外界獲得一定的能量而被激發(fā)，輻射出波長不連續(xù)的光譜(原子光譜），可以通過測量原子光譜的波長和強度進行物質分析。量子力學認為，原子光譜的產(chǎn)生，是原子發(fā)生能級躍遷的結果，而躍遷幾率的大小則影響譜線的強度,并決定了躍遷規(guī)則。一、量子數(shù)1.主量子數(shù)n描述原子中電子出現(xiàn)幾率最大區(qū)域離核的遠近(電子層數(shù));決定電子能量高低。取值：n=123456……電子層符號KLMNOP……對于氫原子，其能量高低取決于n但對于多電子原子，電子的能量除受電子層影響，還因原子軌道形狀不同而異（即受角量子數(shù)影響）。2.角量子數(shù)l[“軌道角動量量子數(shù)”]，它決定了原子軌道或電子云的形狀或表示電子亞層（同一n層中不同分層）。其意義:在多電子原子中，角量子數(shù)與主量子數(shù)一起決定電子的能量。之所以稱l為角量子數(shù)，是因為它與電子運動的角動量M有關。如M=0時，說明原子中電子運動情況與角度無關，即原子軌道或電子云形狀是球形對稱的。角量子數(shù)，l只能取一定數(shù)值

l

=01234……(n-1)電子亞層spdfg說明M是量子化的，其具體物理意義是：電子云（或原子軌道）有幾種固定形狀，不是任意的。如：spdf

球形對稱啞鈴形花瓣形180

，90棒錘形第一電子層僅有l(wèi)s電子，（l=0）第二電子層有2s，2p電子（l=0,1）第三電子層有3s,3p,3d電子（l=0,1,2…）依此類推。F軌道（l=3,m=+3,+2,+1,0,-1,-2,-3)。m七種取值，空間七種取向，七條等價（簡并）f軌道。(3)磁量子數(shù)m[“軌道方向量子數(shù)”ml]決定波函數(shù)(原子軌道)或電子云在空間的伸展方向，決定角動量在空間的給定方向上的分量大小。m取值：m=0,±1，±2，±3……±l例：n=2，

l=0,1；m=0,±12px,2py,2pz

三種情況三個軌道的能量是相等的（簡并軌道），但在外磁場作用下，可發(fā)生分裂，出現(xiàn)微小的能量差別。以上2px,2py,2pz，我們稱為三個原子軌道。即代表核外電子的三種運動狀態(tài)，例如2pz表示，核外電子處于第二電子層，是啞鈴形，沿z軸方向分布。由此可深刻理解三個量子數(shù)n,l,m決定核外電子的一種空間運動狀態(tài)。當l=0時，m=0球面sorbital當l=1時，m=0,±1

雙葉軌道Pz軌道dxyorbitaldxzorbitaldyzorbitaldx2-y2

orbitaldz2orbitall=2，

m=0,±1,±2當l=3時,f軌道

fy3,fx3,fz3

(從左至右）fx(z2-y2),

fy(z2-x2),fz(x2-y2)

fxyz

f軌道角度分布圖lm空間運動狀態(tài)數(shù)00s軌道一種1+1，0，-1p軌道三種2+2，+1，0，-1，-2d軌道五種3+3，+2，+1，0,-1,-2,-3f軌道七種注意：m=0,表示一種狀態(tài)。對s電子來講，僅一種球形對稱的電子云，對其它電子來說，習慣上把m=0，規(guī)定為z軸方向分布磁量子數(shù)m與角量子數(shù)l的關系(4)自旋方向量子數(shù)msms稱自旋量子數(shù)ms=

1/2,表示同一軌道中電子的二種自旋狀態(tài)，即僅有兩種運動狀態(tài)。（↑順時針、↓逆時針）用分辨力較強的光譜儀觀察氫原子光譜時，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)譜線是由靠得很近的兩條譜線組成的。這是因為同一空間運動狀態(tài)（即同一軌道）中，可能有兩種電子運動狀態(tài)，即電子還有自身旋轉運動（類似于地球繞太陽轉，自轉）。

綜上所述，若描述核外電子的運動狀態(tài)，需要四個量子數(shù),即n,l,m,Ms。注意:n,l,m可描述核外電子的一種空間運動狀態(tài),即一個原子軌道。每個原子軌道中能容納兩個自旋相反的電子。主量子數(shù)與角量子數(shù)的關系

n1234電子層KLMNl0010120123亞層1s2s2p3s3p3d4s4p4d4f角量子數(shù)與電子亞層、軌道形狀的對應關系角量子數(shù)

01234···亞層符號spdfg···軌道形狀球形啞鈴型花瓣型·········主量子數(shù)n決定原子軌道的大小（即電子層）和電子的能量。角量子數(shù)l決定原子軌道（或電子云）的形狀同時也影響電子的能量。磁量子數(shù)m決定原子軌道（或電子云）在空間的伸展方向。自旋量子數(shù)ms決定電子的自旋方向。思考題1：當n=3時，l,m分別可以取何值？軌道的名稱怎樣？思考題2：第二層中的8個電子，你可以分別用四個量子數(shù)表示它們的運動狀態(tài)嗎？思考題：1.對于3S電子來說，下列表示法中正確的一組量子數(shù)是（）？A.（3，0，0，+1/2）;B.（3，0，1，+1/2）C.（3，1，1，+1/2）;D.（3，1，0，+1/2）2.下列電子的量子數(shù)合理的是（）？A.（4，3，0，+1/2）;B.（4，3，4，+1/2）C.（4，2，3，+1/2）;D.（4，1，4，+1/2）3.在l=2的電子亞層中有幾條原子軌道？A.（1）;B.（3）；C.（5）;D.（7）4.在多電子原子中，下列各電子具有如下量子數(shù)，其中能量最高者是（）？A.（2，1，0，-1/2）;B.（3，1，0，+1/2）C.（3，1，1，+1/2）;D.（3，2，-2，+1/2）二、簡并及簡并態(tài)1.簡并——與同一能級對應的有兩個或兩個以上的狀態(tài)2.簡并度g——同一能級所對應的不同電子運動狀態(tài)的數(shù)目。3.簡并態(tài)——同一能級的各狀態(tài)稱為簡并態(tài)例：計算1s和2p態(tài)的簡并度原子狀態(tài)nlmlms簡并度1s100g1=22p2110-1g2=6

電子n=3態(tài)，有幾種簡并態(tài)？角動量有3種每種角動量空間取向有2l+1種電子還有2種自旋所以共有18種一般結論:簡并態(tài)sssPPd三、原子狀態(tài)的標記原子中核外電子的排布要遵守泡利不相容原理、能量最低原理一個原子內不可能有兩個或兩個以上的電子具有完全相同的狀態(tài)。（或說，一個原子內不可能有四個量子數(shù)完全相同的電子）（或說，不可能有兩個或兩個以上的電子處于同一個量子態(tài)）1.泡利不相容原理

電子填充各殼層的次序是：1s，2s，2p，3s，3p，4s，3d，4p，5s，4d，5p，6s…電子填充順序洪特規(guī)則兩方面的含義：一是電子在原子核外排布時，將盡可能分占不同的軌道，且自旋平行；二是對于同一個電子亞層，當電子排布處于：全滿（s2、p6、d10、f14）半滿（s1、p3、d5、f7）全空（s0、p0、d0、f0）比較穩(wěn)定。德國人弗里德里希·洪特（F.Hund）根據(jù)大量光譜實驗數(shù)據(jù)總結出來的一個規(guī)律，即電子分布到能量簡并的原子軌道時，優(yōu)先以自旋相同的方式分別占據(jù)不同的軌道，因為以這種排布方式原子的總能量最低。所以在能量相等的軌道上，電子盡可能自旋平行地多占不同的軌道。當電子排布在同一能級的不同軌道時，總是首先單獨占一個軌道，而且自旋方向相同。相同

n,l組成一個次殼層對應于l=0,1,2,3,…的各次殼層分別記做s,p,d,f,g,h…3.原子的電子組態(tài)符號例:

鈉原子有11個核外電子，鈉原子基態(tài)的電子組態(tài)為n≥3的激發(fā)態(tài)的鈉原子電子組態(tài)為等等這10原子稱原子實。原子實以外的電子稱為價電子，“價電子”可以被激發(fā)1s22s22p63s1s22s22p6（1s22s22p63p）（1s22s22p63d）（1s22s22p64s）基態(tài)電中性原子的電子組態(tài)練習題（1）下面所示的電子排布式中，有些是激發(fā)態(tài)，其中在返回到基態(tài)時放出最大能量的光子的是（）。（a）1S22S22P1，

（b）1S22S23S1（c）1S22S14d1，（d）1S22S22P13S1（2）給出40號元素鋯原子的電子排布式，并指出其在元素周期表中的位置。（Zr）1S22S22P63S23P63d104S24P64d25S2

五周期，IVB族，d區(qū)4.原子態(tài)的標記由于多電子原子中電子的軌道角動量與自旋角動量之間的相互作用,原子的同一電子組態(tài)可以形成不同的原子組態(tài)。（以兩個電子為例來說明）兩個電子各有其軌道運動（l1，l2）和自旋運動（s1，s2），每一種運動都產(chǎn)生磁場，因此對其他運動都產(chǎn)生影響。這四種運動可以有六種相互作用：一般情況下，G5、G6比較弱，可以忽略。LS耦合——G1、G2比G3、G4強,只考慮G1、G2耦合.JJ耦合——G3、G4比G1、G2強,只考慮G3、G4耦合.

在LS耦合中，兩個軌道角動量合成一個總軌道角動量，其量子數(shù)為L，L=l1+l2，l1+l2-1…..l1-l2

兩個自旋角動量合成一個總自旋角動量，量子數(shù)S,S=s1+s2或s1-s2然后,總自旋角動量和總軌道角動量合成總角動量J，其量子數(shù)為J=L+S,L+S-1,……L-S

。這樣，就可以說明一對電子在某一組態(tài)可能形成的不同原子態(tài)。

用表示原子組態(tài)，符號L用大寫字母（如：S、P、D、F、G、H……）表示，分別對應L=0,1,2,3,4…..例:氦原子的幾個不同電子的原子組態(tài)(1)氦原子的1s1s電子的原子組態(tài)(2)氦原子的1s2s電子的原子組態(tài)(3)氦原子的1s2p電子的原子組態(tài)氦原子部分能級圖20.55ev19.77evL:總軌道角動量量子數(shù)S:總自旋角動量量子數(shù)J:總角動量量子數(shù)mJ：總磁量子數(shù)

原子的量子數(shù)

符號

角動量表達式原子的角量子數(shù)L原子的磁量子數(shù)

mL原子的自旋量子數(shù)S

原子的自旋磁量子數(shù)mS原子的總量子數(shù)J原子的總磁量子數(shù)mJ總軌道角動量ML

總自旋角動量MS

總角動量MJ

躍遷規(guī)則量子力學證明，在多電子原子中，電子躍遷只能在偶態(tài)和奇態(tài)之間發(fā)生。對于一般的LS耦合，還應遵從以下規(guī)則：⑴主量子數(shù)變化，Δn為整數(shù)，包括0。⑵總角量子數(shù)的變化，ΔL=±1。⑶總（內）量子數(shù)變化，ΔJ=0，±1。但當J=0時,ΔJ=0的躍遷是禁戒的（J=0與J=0之間不能躍遷)。⑷總自旋量子數(shù)的變化，ΔS=0，即單重項只躍遷到單重項，三重項只躍遷到三重項。內量子數(shù)，是由于軌道運動與自旋運動的相互作用（即軌道磁矩與自旋磁矩的相互影響）而得出的，它是原子中各個價電子組合得到的總角量子數(shù)L與總自旋量子數(shù)S的矢量和，即J=L+S。三、發(fā)光材料（1）發(fā)光與非發(fā)光材料并沒有明顯界限！強激發(fā)純度提高摻雜自然界中天然或合成的發(fā)光體數(shù)量很大。人體的牙齒、指甲，動物的脂肪、卵、奶、皮膚，植物的漿液、油、果實，又如蠶絲、樹脂、葉綠體、紙張等………無機固體發(fā)光材料，大致可分為：純材料、摻雜材料稀土元素化合物：Gd(Gadolinium)及前后鄰Sm,Eu,Tb,Dy等5個元素化合物（如硫酸鹽等）是本身可以發(fā)光的。LaCeSmEuGdTbDyPrNdPmHoErTmYbLu01234567891011121314①②③④①4F電子的數(shù)目；②發(fā)光不是線譜的元素③只在作為摻雜時才發(fā)光的元素④固態(tài)、液態(tài)或作為摻雜時都可發(fā)光的元素純發(fā)光材料：是指基質本身就可發(fā)光的材料（2）發(fā)光材料大類：純發(fā)光材料+摻雜發(fā)光材料由組成化合物基質的元素發(fā)光：低溫下陰極射線激發(fā)純ZnO、CaO、SrO等，發(fā)光與中性原子Zn、Ca、Sr的電子躍遷頻率間有明顯關系，是后者和晶格結合的結果。由組成化合物的原子團發(fā)光：如Pt(CN)42-，UO22+，WO42-及MoO42-等。含Pt(CN)42-材料：MxPt(CN)4·YH2O形式，M代表K,Na,Ca,Sr,Ba等。在短波紫外光、核輻射及X光激發(fā)下都可發(fā)光。BaPt(CN)4長期被用來制作X光熒光屏。含UO22+化合物：如UO2SO4·3H2O等，易形成復合物，如K2UO2(SO4)2·2H2O等，它們在紫外光激發(fā)下可發(fā)光。含WO42-，MoO42-材料：在各種激發(fā)下都可發(fā)光，一般取MWO4形式，M通常是堿土金屬。雜質含量極少，約占10-3（摻雜濃度是激活離子摻雜在基質中的數(shù)量，其單位經(jīng)常是原子百分數(shù)）。雜質可以改變發(fā)光材料的性能，包括效率、余輝、光譜等。在電致發(fā)光中，雜質可用來改變導電類型及電阻率等參量。

摻雜發(fā)光材料實際應用對發(fā)光材料和器件的要求，主要是發(fā)光效率、亮度、余輝及光譜等基本特征，發(fā)光的技術應用就是以這些主要特征為依據(jù)而發(fā)展的。2.1

與發(fā)光相關的基本知識及概念2.2

燈用熒光材料發(fā)光材料及器件2.2.1基本知識2.2.2電光源的分類及參數(shù)2.2.3常用電光源2.2.4應急照明2.3發(fā)光二極管(LED)用熒光材料(1)電磁波譜與所有物質一樣，光也是物質的一種存在形式，是能引起視覺的輻射能，它以電磁波的形式在空間傳播。可見光的波長在380~780納米(nm)范圍內，不同波長的光給人的顏色感覺不同，如圖2.1所示。2.1基本知識及概念電磁波譜(2)光譜(3)光通量(4)發(fā)光強度(5)照度(6)亮度(7)色溫(8)顯色性和顯色指數(shù)(9)頻閃效應(10)反射率圖2.1圖2.1電磁波譜(2)光譜光源輻射的光往往由許多波長的單色光組成，把光線中不同強度的單色光按波長長短依次排列，稱為光源的光譜。大功率50W全光譜燈珠的光譜(3)光通量光源在單位時間內，向周圍空間輻射出的、使人眼產(chǎn)生光感覺的能量，稱為光通量，用符號Φ表示，單位為流［明］(lm)。人們通常以電光源消耗1W電功率所發(fā)出的流明數(shù)(lm/W)來表征電光源的特性，稱為發(fā)光效率，簡稱“光效”。電光源的光效越高越好。

人眼對可見光中波長為555nm的黃綠色光最靈敏，波長離555nm越遠（如波長較長的紅光和波長較短的紫光）靈敏度越低，所以光通量與光輻射的強弱及其波長都有關系。(4)發(fā)光強度

發(fā)光強度是表征光源(物體)發(fā)光能力大小的物理量。

光源在某一特定方向上單位立體角內(每球面度，球的面積為4πR2所張的球面度為4π）輻射的光通量，稱為光源在該方向上的發(fā)光強度(簡稱光強)，用符號I表示，單位為坎［德拉］(cd)。

如圖2.2所示，對于向各方向均勻輻射光通量的光源，各方向的光強相等，其值為：圖2.2發(fā)光強度的定義ω(5)照度對被照物體表面而言，它單位面積上所接受的光通量，稱為該被照面的照度，照度用符號E表示，單位為勒［克斯］（lx）。被光均勻照射的平面照度為：

表2.1

給出了一些情況下的照度。表2.1一些情況下的照度值被照物體表面照度值（lx）無月夜晚的地面上0.002月夜里的地面上0.2中午太陽光下的地面上100000晴天室外太陽散射光(非直射)下的地面上1000白天采光良好的室內100～500(6)亮度某一物體(或發(fā)光體)的表面亮度是該物體單位面積向視線方向發(fā)出的發(fā)光強度。亮度用符號L表示，其單位為坎［德拉］每平方米(cd/m2)。由于物體在各個方向的亮度不一定相同，因此常在符號L的右下角注明角度，用以表示與物體表面法線成α角方向的亮度。物體的亮度越大，人們就會感到它越亮。(7)色溫色溫是電光源的技術參數(shù)之一。當光源的發(fā)光顏色與黑體(能吸收全部光能的物體）加熱到某一個溫度所發(fā)出的光的顏色相同時，稱該溫度為光源的顏色溫度，簡稱色溫。(8)顯色性和顯色指數(shù)同一物體在不同的光源照射下，顯示出不同的顏色，光源對被照物體顏色呈現(xiàn)的真實程度稱為光源的顯色性。對同一物體，在被測光源的光照射下呈現(xiàn)的顏色，與在標準光源的光照射下呈現(xiàn)的顏色的一致程度愈高，Ra則愈大，顯色性愈好。表2.2所列是常用電光源的一般顯色指數(shù)Ra。表2.2常用電光源的一般顯色指數(shù)Ra光源顯色指數(shù)Ra光源顯色指數(shù)Ra白熾燈97高壓汞燈22～51日光色熒光燈80～94高壓鈉燈20～30白色熒光燈75～85金屬鹵化物燈60～65暖白色熒光燈80～90鈉鉈銦燈60～65鹵鎢燈95～99鏑燈85以上顯色指數(shù)沒有用“CRI”（color-renderingindex）的。顯色指數(shù)有15種顏色，15種顏色名稱：R1,淡灰紅色；R2,暗灰黃色；R3，飽和黃綠色；R4,中等黃綠色；R5,淡藍綠色；R6,淡藍色；R7,淡紫藍色；R8,淡紅紫色；R9,飽和紅色；R10,飽和黃色；R11,飽和綠色；R12,飽和藍色；R13,白種人膚色；R14,樹葉綠；R15,黃種人膚色。取前8種常見顏色的顯色指數(shù)的平均值,記為Ra,表征此光源顯色性。CRI，是color-renderingindex的縮寫，中文為“顯色指數(shù)”，是廣泛性名詞。Ra，是“一般顯色指數(shù)”標記符號，是15種顏色顯色指數(shù)中，前8個顯色指數(shù)的平均。

在采用氣體放電燈作為照明光源時，若被照物體處于轉動狀態(tài)，且轉動頻率剛好是電源頻率的整倍數(shù)時，則轉動的物體看上去就如沒有轉動一樣。這種在以一定頻率變化的光照射下，觀察到的物體運動顯現(xiàn)出不同于其實際運動的現(xiàn)象，稱為頻閃效應。頻閃效應易使人產(chǎn)生錯覺而造成事故。/timg?image&quality=80&size=b9999_10000&sec=1602914602917&di=44780d8b0b475d8b73ebb45921dac637&imgtype=0&src=http%3A%2F%2F%2Fbfs%2Farticle%2F36945d3156567f39392c3333192310e16d0a85c3.gif(9)頻閃效應

電光源在采用交流電源供電時，由于交流電做周期性的變化，因而電光源所發(fā)出的光通量也隨之做周期性的變化。這就會使人眼產(chǎn)生閃爍的感覺。相機拍攝到的熒光燈頻閃頻閃測量方法。頻閃比率等于一個開關周期內最大光輸出與最小光輸出之差除以最大光輸出與最小光輸出之和。頻閃指數(shù)等于一個開關周期內超出平均光輸出的量除以全部光輸出。

頻閃與頻閃效應是針對電光源，光通量的波動深度和由此產(chǎn)生的危害效應（稱為頻閃效應）大小的兩個互為因果的物理量。頻閃是指電光源光通量波動的深度。光通量波動深度越大，頻閃越嚴重。(10)反射率

當光通量投射到被照面后，一部分被反射，一部分透過被照面，一部分則為被照面所吸收。這就是在相同照度下，不同物體有不同亮度的原因。被物體反射的光通量Φ′與射向物體的光通量Φ之比，叫做反射率或稱反射系數(shù)ρ，即建筑物內墻壁及頂棚、地面的反射率的近似值如表2.3所示。表2.3墻壁及頂棚、地面的反射率的近似值反射面性質反射率(%)反射面性質反射率(%)抹灰并大白粉刷的頂棚和墻面70～80混凝土地面10～25磚墻或混凝土面(石灰、大白)噴白50～60鋼板地面10～30墻、頂棚為水泥砂漿抹面30瀝青地面11～12混凝土屋面板30無色透明玻璃8～10紅磚墻302.2燈用熒光材料2.2.1基礎知識1）

電光源的分類按電光源的發(fā)光原理，它主要分為兩大類。(1)

熱輻射光源和電光源

熱輻射光源是當物體受熱且熱能足夠大，使原子或分子發(fā)生激烈的相互碰撞而激發(fā)產(chǎn)生的光發(fā)射。電光源是利用電流將物體加熱到白熾程度而產(chǎn)生的光。屬于熱輻射光源的燈有白熾燈、鹵鎢燈。2.2.2電光源的分類及參數(shù)（2）放電光源

放電是指在電場作用下，載流子在氣體(或蒸氣)中產(chǎn)生和運動，而使電流通過氣體(或蒸氣)的過程。這個過程導致光的發(fā)射，可作為光源，即放電光源。這種光源具有發(fā)光效率高、使用壽命長等特點，很有發(fā)展前途。

按放電媒質分為：

①氣體放電燈。是利用氣體中的放電發(fā)光，例如氙燈、氖燈等。

②金屬蒸氣燈。是利用金屬蒸氣(如汞蒸氣、鈉蒸氣等)中的放電，且主要由金屬蒸氣產(chǎn)生光，例如汞燈、鈉燈等。

按放電形式分：

①輝光放電燈。這種燈由輝光放電產(chǎn)生光。放電要有陽極和陰極。放電時，陰極溫度不高，但要有足夠的電子發(fā)射，又叫冷陰極燈。

②弧光放電燈。是由弧光放電產(chǎn)生光。陰極工作在較高的溫度下，又叫熱陰極燈，如熒光燈、汞燈、鈉燈等。2）電光源的參數(shù)

(1)

額定電壓和額定電流光源在預定要求下工作所需要的電壓和電流分別叫做額定電壓和額定電流，額定值下工作具有最好的效果。(2)

額定功率燈泡(或燈管)在額定電流下工作所消耗的功率叫額定功率。(3)發(fā)光效率燈泡(或燈管)所發(fā)出的光通量Φ與消耗的功率P之比叫發(fā)光效率，記作η，即：(4)壽命

光源的壽命是指光源從初次通電工作的時候起到其完全喪失或部分喪失使用價值的時候為止的全部點燃時間。壽命又分兩種：①全壽命；②有效壽命

（有效壽命：電光源發(fā)光效率下降到初始值的70%時的使用時間）(5)光色光色包括色表和顯色性兩個方面。色表指光源本身發(fā)光的顏色，即從外觀上看到的光的顏色。而顯色性則反映被照物體所體現(xiàn)出的顏色。一般常用電光源的壽命是指()。A．平均有效壽命B．全壽命C．有效壽命D．光源發(fā)光效率

1）

白熾燈

2）

鹵鎢燈

3）

熒光燈

4）

高壓氣體放電燈

5）

金屬鹵化物燈

6）

氙燈

2.2.3常用電光源1）白熾燈

靠電能將燈絲加熱到白熾狀態(tài)而發(fā)光。(1)

白熾燈的構造白熾燈的構造如圖2.3所示，它主要由玻璃外殼、燈絲、支架、引線和燈頭組成。燈絲一般都用鎢絲制成。白熾燈的發(fā)光原理就是當鎢絲通過電流時，產(chǎn)生大量的熱，使燈絲溫度升高到白熾的程度(2400～3000K)而發(fā)光。(2)

白熾燈的工作特性

①電流和功率白熾燈的電流決定于燈泡的供電電壓和燈絲電阻。燈泡的容量用功率來表征，白熾燈的功率等于流過燈絲的電流和工作電壓的乘積。

②光通量輸出白熾燈在運行中，其光通量的輸出隨電網(wǎng)電壓的變化而急劇地變化。(3)

發(fā)光效率燈泡的發(fā)光效率，鎢絲白熾燈的發(fā)光效率比較低，一般僅有10lm/W左右。(4)

壽命平均壽命是許多燈泡壽命的算術平均值。一般白熾燈的平均壽命為1000h。(5)

光色白熾燈所發(fā)的光與日光相比仍有一定的差別，兩者相比，白熾燈的紅光部分較顯著。(6)

燈泡溫度白熾燈所消耗的電能首先變?yōu)闊崮?，其中有很小一部分又轉變?yōu)榭梢姽?，所以白熾燈玻璃殼的溫度是較高的。(7)

亮度白熾燈絲亮度很高，這樣的亮度能夠造成眩光。為了減少燈泡的表面亮度，有些燈泡其玻璃殼用磨砂玻璃或乳白玻璃制造。2）

鹵鎢燈鹵鎢燈除在燈泡內充入惰性氣體外還充入有少量的鹵族元素(氟、氯、溴、碘)，這樣對防止玻殼黑化具有較高的效能。（1）

鹵鎢燈的結構為了使管壁處生成的鹵化物處于氣態(tài)，管壁溫度要比普通白熾燈高得多，相應地鹵鎢燈的玻殼尺寸就要小得多，溫度也高得多，因而必須使用耐高溫石英玻璃或高硅氧玻璃。（2）

鹵鎢燈的光特性鹵鎢燈是在石英玻璃管內封進鎢絲，充進惰性氣體和微量的磷或溴，制成雙端引出型鹵鎢燈。鹵鎢燈，由于鹵鎢循環(huán)作用，而能防止管壁發(fā)黑，改進了燈的工作特性，使燈的光效比普通白熾燈有顯著的提高(約為18~21lm/W)。由于鹵鎢燈的充氣壓力比普通白熾燈高，所以壽命指數(shù)較低，并且容易受振動、沖擊而產(chǎn)生機械斷絲。顯色性好，一般顯色指數(shù)為Ra＝97，色溫為3000～3200K。3）熒光燈熒光燈屬于放電光源，是靠低壓汞蒸氣放電，利用放電過程中的電致發(fā)光和熒光質的光致發(fā)光，形成光源。它的優(yōu)點是：結構簡單、制造容易、價格便宜并且發(fā)光效率高、光色好、壽命長。常見的普通熒光燈是圓形截面的直長玻璃管子。在管子兩端各放一個電極。熒光燈的典型結構，如圖2.4所示。（1）熒光燈的工作原理熒光燈需要鎮(zhèn)流器和啟輝器才能正常工作。它的接線，如圖2.5所示。（2）

熒光燈的工作特性熒光燈的電流分為額定工作電流和額定啟動電流兩項。額定工作電流根據(jù)燈管功率、燈管結構和電流密度而定。額定啟動電流是啟動時預熱燈絲的電流，它比額定工作電流大。在工作電流下，燈管上產(chǎn)生的電壓降是熒光燈的管電壓。4）

高壓氣體放電燈（1）

高壓汞燈高壓汞燈又名高壓水銀燈，它是靠高壓汞蒸氣放電而發(fā)光。這里所說的“高壓”是指工作狀態(tài)下的氣體壓力為1～5個大氣壓，以區(qū)別于一般低壓熒光燈。高壓汞燈的優(yōu)點是光效高、壽命長、省電、耐震。①高壓汞燈的結構與工作過程高壓汞燈的結構分外鎮(zhèn)流高壓汞燈和自鎮(zhèn)流高壓汞燈兩種。外鎮(zhèn)流高壓汞燈的構造，如圖2.6所示。

②高壓汞燈的工作特性（a）光通量輸出和發(fā)光效率一般所說的光通量輸出和發(fā)光效率是指點燃100h以后的數(shù)值。目前高壓汞燈的發(fā)光效率為40～60lm/W。

（b）光色高壓汞燈的光色為淡藍－綠色，缺乏紅色成分

（c）壽命在運用中影響壽命的因素主要有：（1）啟動次數(shù)；（2）啟動電流和工作電流。

(2)

鈉燈與汞燈一樣也是靠放電而發(fā)光。如在燈管內放入適量的鈉和惰性氣體，就成為鈉燈。鈉燈具有省電、光效高、透霧能力強等特點。鈉燈分為高壓鈉燈和低壓鈉燈。

①高壓鈉燈的結構和工作原理高壓鈉燈的電路原理簡圖，如圖2.7。

②低壓鈉燈

低壓鈉燈具有很高的發(fā)光效率，可超過150lm/W。5）

金屬鹵化物燈金屬鹵化物燈也是一種氣體放電燈。這種燈的優(yōu)點是：發(fā)光體小，光色和日光相似，顯色性也較高，光效也較高，達70lm/W左右。(1)

金屬鹵化物燈的構造與工作原理普通的金屬鹵化物燈外形和結構與汞燈相似。金屬鹵化物燈的發(fā)光原理與汞蒸氣放電光源相似。(2)

金屬鹵化物燈的種類

①鈉鉈銦燈

②鏑燈(3)

金屬鹵化物燈的工作特性金屬鹵化物燈有一個較長的啟動過程，在這個過程中燈的各個參數(shù)均發(fā)生變化。從啟動到參數(shù)基本穩(wěn)定要4min左右，而達到安全穩(wěn)定約要15min。金屬鹵化物燈在關閉或熄滅后，須等待10min左右才能再啟動，這是由于燈工作時溫度很高，放電管氣壓很高，啟動電壓升高，只有待冷卻到一定程度之后才能再啟動。6)

氙燈氙燈也是一種弧光放電燈。它具有功率大、光色好、體積小、亮度高、啟動方便等優(yōu)點，人們稱譽它為“小太陽”。氙燈按外形可分為管形和球形；按冷卻方式可分為自冷、水冷和風冷；按放電弧光長度可分為長弧、短弧；按充氣壓力可分為高壓、超高壓；按充氣元素可分為氙燈及汞氙燈等。氙燈可以制成在交流下和直流下應用的兩種。圖2.3白熾燈的構造示意圖1—燈頭；2—康銅絲外導線；3—芯柱管；4—中心桿；5—支撐；6—燈絲；7—焊錫；8—排氣管；9—排氣孔；10—銅外導線；11—杜鎂絲；12—內導線；13—玻殼；14—氬氣圖2.4熒光燈管1—燈頭；2—燈腳；3—玻璃芯柱；4—燈絲（鎢絲，電極）；5—玻管（內壁涂覆熒光粉，管內充惰性氣體）；6—汞（少量）圖2.5熒光燈的接線圖圖2.6高壓汞燈(a)高壓汞燈的構造；(b)高壓汞燈的工作電路圖圖2.7高壓鈉燈的電路原理圖應急照明包括疏散照明、