“發(fā)光元素”點亮我們的生活

曲建翹

還記得2016年里約奧運會開幕式上那生長茂盛的亞馬孫大森林嗎？還記得G20杭州會議上的西湖夜景嗎？這些好看的景觀，可都與我們元素周期表中的一些發(fā)光元素有關(guān)，我們一起看看這種造就美景的彩燈與元素周期表中的發(fā)光元素到底有什么關(guān)系？

霓虹燈與惰性氣體

霓虹燈的英譯為“Neon Lamp”，直譯為氖燈。氖（Ne）在元素周期表中屬于稀有氣體元素（零族元素）。而稀有氣體還包含：氦（He），氬（Ar），氪（Kr），氙（Xe），氡（Rn）（天然放射性元素，不參與霓虹燈的制作），稀有氣體的化學(xué)性質(zhì)很不活潑，所以過去人們曾認為他們與其他元素之間不會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，將他們列為元素周期表中的零族，并稱之為“惰性氣體”。我們一起看看這些惰性氣體與霓虹燈的關(guān)系。

有人說，霓虹燈是城市的美容師。那么，霓虹燈是如何發(fā)明的呢？

1910年，科學(xué)家克勞特注意到法國科學(xué)家莫爾曾在1895年做過這樣一個實驗：莫爾在抽真空的玻璃燈管中充入少量二氧化碳，然后給以高壓，使它放電，結(jié)果燈管發(fā)出白色的光?？藙谔馗鶕?jù)莫爾的實驗，在抽真空的玻璃燈管中充入氖、氬、氦等惰性氣體。他發(fā)現(xiàn)，充入氖氣，燈管會發(fā)出橙紅色的光；充入氖和氬的混合氣體，燈管會發(fā)出藍色的光；充入氖和水銀混合氣體，燈管會發(fā)出綠色的光；充出氦氣，燈管會發(fā)出黃色的光?！斑@是多么奇妙的現(xiàn)象??！”克勞特驚喜萬分。他獲得霓虹燈的發(fā)明專利，從此，世界各地開始廣泛生產(chǎn)霓虹燈。

日光燈與熒光粉

1938年，美國通用公司研究員伊曼發(fā)明了節(jié)能熒光燈，熒光燈又稱為日光燈。第二次世界大戰(zhàn)后，熒光燈成為新的照明工具。

20世紀50年代以后，熒光燈大都采用鹵磷酸鈣，俗稱鹵粉。1974年，荷蘭飛利浦公司首先研制成功了能發(fā)出使人眼敏感的紅、綠、藍三色光的三基色熒光粉（完整名稱是稀土元素三基色熒光粉），其中，紅粉為銪激活的氧化釔，綠粉為鈰、鋱激活的鋁酸鹽，藍粉為低價銪激活的鋁酸鋇鎂，用它們做熒光燈的原料可大大節(jié)省能源，這就是高效節(jié)能熒光燈的由來。可以說，稀土元素三基色熒光粉的開發(fā)與應(yīng)用是熒光燈發(fā)展史上的一個重要里程碑。

日光燈啟動時，有電流流經(jīng)燈絲，使燈絲預(yù)熱而易于發(fā)射電子，所以這種日光燈稱為熱陰極日光燈，又稱預(yù)熱式日光燈，燈管的內(nèi)壁涂有一層熒光粉薄膜，不同配方的熒光粉，能發(fā)出不同顏色的光。見下表。

LED燈與稀土元素

在元素周期表中，稀土元素是17種元素的統(tǒng)稱，它的得名是因為瑞典科學(xué)家在提取稀土元素時應(yīng)用稀土的化合物。稀土元素中，鑭系元素：鑭（la）、鈰（Ce）、鐠（Pr）、釹（Nd）、钷（Pm）、 釤（Sm）、銪（ Eu）、釓（Gd）、鋱（Tb）、鏑（ Dy）、鈥（Ho）、鉺（Er）、銩（Tm）、鐿（Yb）、镥（Lu）以及與鑭系的15種化學(xué)元素相關(guān)的元素釔（Y） 和鈧（Sc）等共17種元素稱為稀土元素。

稀土元素的應(yīng)用十分廣泛，在軍事、農(nóng)業(yè)、化工、冶金、石油等各行各業(yè)及日常生活中都離不開它，如照明技術(shù)應(yīng)用稀土元素制作全彩發(fā)光二極管（LED）。

LED照明即是發(fā)光二極管照明，是利用LED作為光源制作出來的照明器材。制作LED燈需要使用稀土金屬材料，如鋁砷化鎵、磷化鋁鎵銦添加金屬鋱（Tb）、釓（Gd）和鈰（Ce）中的幾種元素等，由金屬鎵（Ga）和砷（As）、磷（P）、氮（N）、銦（In）的化合物制成的發(fā)光二極管，可產(chǎn)生不同的顏色，如下。