坎坷光明史

要是你曾經有一絲想當文藝青年的念頭，那么類似“黑夜給了我黑色的眼睛，而我卻用來尋找光明”這樣憂傷到蛋疼的語句你應該看過不少，從古到今、從國內到國外，無數扯淡大家都寫過關于人類追求光明的語句。是的，這是個值得研究的問題，那么我們的老祖宗們究竟怎么追求光明的呢?要說我們現在的生活實在不健康，別的不說，夜生活這一項就不知差了古人多少量級。遙想當年老祖宗們白天打獵采果晚上制造人類，慢慢長夜好不快活。這個時候最煩的就是有什么事情打擾，可偏偏老天爺就是這樣的不識趣，沒事就弄個風雨雷電之類的東西來搗亂。這其中老祖宗最討厭的莫過于火了，那時候，火對老祖宗們總是板著一副兇狠的臉孔：大火燃起，烈焰沖天，濃煙蔽日，所到之處，一片焦土。火的破壞性使老祖宗望而生畏，遇到大火就驚恐萬狀，逃之夭夭。俗話說夜路走多了不怕鬼，遇到火的次數多了人們也就漸漸不以為奇，反而習以為常了。這時有一個閑得蛋疼的人冒著晚上尿失禁的危險把還在燃燒的樹枝拿回來，并且不斷地給它添加新的樹枝——把火當寵物般的“喂養”起來。于是由樹枝架起的人類第一堆篝火終于燃燒起來了，人們第一次圍在篝火旁度過了一個歡樂祥和的光明夜晚。

一夜歡快之后留下的是無盡空虛，為了繼續晚上光明的篝火party，老祖宗們只有不斷添加樹枝之類的東西，并且把火置于特別的監護之下，由專人負責看管，不讓它熄滅。用火時把火生得旺旺的，不用時讓火慢慢地冒著煙。一堆火種往往可以保存很長的時間。在我國北京周口店的考古發掘中，發現有四五十萬年前的北京猿人用火留下的灰燼堆積物相當的厚，這說明他們保持火種晝夜長燃不熄。在最初的新鮮感過去后，老祖宗們開始學習怎么去用火，隨后火同人類生產和生活的關系越來越密切。你可以設想—下當時的情景：吃過晚飯以后，一家人圍坐在火堆周圍，男人們修理工具，談論著狩獵的事兒；女人們緊張忙碌，干著縫補、編織的活計；孩子們嬉耍好奇，貪婪地傾聽著大人的談話。問題來了，即便是在盛夏酷暑的三伏天，人們為了照明也得點起火堆，光著膀子、汗流浹背地在火邊忙碌。這一晃就是許多年，直到有一天不知道哪個缺心眼的家伙拿著一根木棒用火點燃了，拿著到處閑逛，猛然問發現這么一根燃燒著的木棒居然也能把整個山洞照亮。于是火堆就逐漸被一根點燃著的木棒所代替。再后來一些人發現含樹脂多的木棒燃燒起來比含樹脂少的木棒明亮得多，于是開始把松木里的“精華”——松脂提取出來蘸在其他木棒上，弄成了原始的火把。早在用火堆照明的時代，人們就已經在琢磨著怎樣改進照明的方式：一些人發明了松明和火把；另一些人則是在烤肉時看見動物的油脂滴到火堆上會使火燒得更旺，于是就想能不能直接利用動物的油脂來點火照明呢?結果人類歷史上第一盞燈出現了。最早的燈極其簡陋——一只盛著動物油脂的石制燈碗，沒有燈芯，點燃時冒著又濃又黑的煙，帶來的光亮卻非常有限。盡管如此，它與火堆和松明相比還是最有資格稱做燈的，因為它具備了燈的雛形。設想—下當時的情景：每當夜幕降臨，星星點點的火光便在遼闊無垠的大地上出現：有的地方燃起了火堆；有的地方點亮了松明；還有的地方是原始的油脂燈在閃光。黯淡的火光在濃重的夜色中吃力地閃爍著、搖曳著。盡管比不了現在祖國的城市和農村，社會主義建設的工地上到處燈光閃亮，但是不要忘記，飯要一口一口地吃，路得一步一步地走，現代先進的燈，是由過去簡陋的燈一點一點地演變而成的。

原始的油脂燈有什么缺點呢?相當多，其中最主要的一條是冒煙，一點著火就冒出又黑又濃的煙。這些煙都是因為油脂燃燒時空氣供應不足的緣故，沒錯，你沒看錯，雖然地球上的空氣是大大地有，可直接與油脂接觸的那部分空氣，在油脂一遇到火呼啦—下子燃燒起來以后，火焰會把空氣從原來的地方擠走，于是在燃燒油脂的周圍空氣就供應不足了。為了減少冒煙，應該想辦法讓油脂不是—下子都點著，而是一點一點慢慢地燃燒。這個道理，我們現在看起來很簡單，但是在點著原始油脂燈時代的人們，卻不明白其中的奧秘；他們只是在實踐中朦朧地意識到，燈冒煙同油脂燃得太快有關系，于是嘗試著采用不少的辦法來克服這個毛病，后來終于發明了燈芯。

最開始燈芯是用小木條或者草本植物的莖晾干以后做成的。講到我們熟悉的棉制燈芯，恐怕少說也已經有幾千年的歷史。起初，它是用棉花搓成的細捻子做的；懂得紡線以后，又用好多股棉線搓在一起做成。這樣的燈芯，一直使用到現代。有了燈芯，油脂燈的點燃情況果然大見好轉。油脂沿著燈芯一點一點地上升到火焰里，正像水沿著植物的根莖一點一點地上升到葉和花一樣。油脂里的碳就能比較充分地跟氧結合，結果是冒煙大大減少，節省很多油脂，點燃時間既久，燈的火焰也更穩定、明亮。后來和油燈原理差不多的蠟燭也被發明出來，彌補了油燈不易攜帶的缺點。不過由于蠟燭制作比油燈復雜，所以最早使用蠟燭的都是有錢人家。

不過燈的弱點是很明顯的，據說有這么一件事：我們熟知的牛頓牛爵爺有一只愛犬，無意中撲翻了桌子上的蠟燭，把牛爵爺的文稿統統燒掉了。是否真有這么件事情，咱們不得而知，不過咱們知道用火照明就是有這樣難以避免的缺點，那么光與火能分開嗎?這問題的答案直到電被發現后才有了解開的跡象。1808年，英國科學家戴維在用碳棒做電流的熱效應實驗時，無意中把兩根碳棒碰了一下，誰知就在碳棒尖端相互離開的一瞬間，一道極強的白光閃亮起來，猶如夜空中的閃電。這使戴維興奮起來，他反復試驗下去，制成了電弧燈，也被人稱為“電燭”。電燭誕生后不久就風靡歐美。1883年，我國上海也曾用它來做外灘的照明燈。可人們隨之就發現了電燭的缺點：光線太強、耗電太多、壽命太短。所以，大約到19世紀末，電燭就退出了照明舞臺。繼電孤燈之后，登上舞臺的就是電燈了。先是有人發現很細的白金絲通上電流，會發出極微弱的光來，不過白金絲在空氣中很快就燒掉了。但這一發現卻讓精明的商人愛迪生看到了錢途。

雖然咱們稱愛迪生為商人，不過這商人的物理知識還算扎實，他清楚地認識到：所謂發光，不就是讓電流通過某種導體，使它溫度達到白熾，就能夠照明了。后來的事大家都知道了，我們偉大的商人幾乎找遍了市面上所有材料，終于在碳化后的竹絲身上找到了依托。白熾燈時代就此來臨，順帶說一句，商人愛迪生以白熾燈為起點，開始四處建立發電站，瘋狂斂財，終于成就了百年老店通用電氣公司。

雖然愛迪生在那里賺得不亦樂乎，但是研究白熾燈的人可沒有原地踏步，他們想：鈰這類難熔金屬的氧化物能耐高溫，比炭絲結實得多，發出來的光又極其明亮，那我們為什么不用難熔金屬的細絲來做燈絲呢?1898年，有人試用鋨作燈絲，缺點是不太結實。1905年，有人制成了鋯和鉭絲燈，結果也不怎么令人滿意。直到20世紀進入第9個年頭，美國人柯里奇發明了用鎢絲制作的白熾燈，這是電照明技術發展史上的一個大事件。在各種所謂難熔的金屬里，鎢得數老大，它的熔點高達3400℃左右，比任何一種金屬元素的熔點都高。跟鎢相比，一些常見的金屬，比如鉛、鋅、鋁、銅等有色金屬和鋼鐵等一類黑色金屬的耐高溫本領就差得遠了。鎢的比重跟黃金差不多，但是非常堅硬，要把它拉成細絲很不容易。經過多次改進，現在人們是用最硬的金剛石作拉絲模，使直徑1毫米的鎢絲通過20多個逐漸小下來的細孔，才拉成直徑只有幾百分之一毫米的燈絲的。1000g重的鎢錠，拉成燈芯用的鎢絲后，長度可達三百公里。本來在碳絲白熾燈發明后，其他煤油燈、煤氣燈、汽油燈還繼續在市面上競爭，可自從鎢絲引進后，白熾燈徹底擺脫了其他競爭者，開始了一統天下的過程。電燈作為新生的光源，光明的使者，迅速飛向全世界。

同炭絲一樣，鎢絲也害怕空氣。如果燈泡的玻璃殼里充滿空氣，那么鎢絲很快會被燒斷，同時生成一種黃白色的三氧化鎢，附著在玻殼內壁上。要是玻殼里殘留的空氣比較少，那這個過程就會進行得慢一些，鎢跟空氣中的氧化合生成一薄層藍色的三氧化二鎢和氧化鎢的混合物——氧氣使得高溫的鎢絲氧化了。先賢們為了避免這種情況，采取了不少方法。最初采用的是抽真空，把空氣統統清除出去。可限于技術，效果并沒那么好，所以后來還要在燈泡內部涂一點紅磷。紅磷受熱會變成白磷，白磷很容易同氧氣反應，生成固態的五氧化二磷，把氧氣“吃掉”，這樣，玻殼里殘留的氧氣也被消除了。但是這樣做還沒有解決全部問題，白熾燈用久了，鎢絲會慢慢蒸發并最終斷掉，有沒有辦法使燈絲在真空條件下減少蒸發和延長使用壽命呢?只有降低溫度，鎢絲工作溫度高達2700℃時，燈泡點亮不到1個小時就熄滅；鎢絲工作溫度下降到1700℃，使用壽命可以延長到1000個小時以上。可這并不是個好辦法。降低鎢絲的工作溫度，也就是降低它的白熾程度，會使白熾燈的發光效率降低，遠不如溫度高時那么明亮。矛盾!

這時有研究人員注意到，當燈泡里充有空氣的時候，雖然燈絲很快會被氧化，但是鎢的蒸發卻變慢了。原因也很簡單：空氣是由多種成分組成的，使鎢氧化的只是占空氣總量1／5的氧氣；至于其余的大約占4／5的氮氣，它不僅沒有參與對鎢的破壞，相反地還干了好事——阻礙鎢分子的運動，降低鎢的蒸發速度。這個發現真可謂是柳暗花明，以前為了保證白熾燈延年益壽而不得不把空氣抽走，現在為了同樣的目的，我們卻要做相反的工作——把不會跟鎢發生化學反應的氣體充進去。氮氣是個懶惰的家伙，好自個兒東游西逛，跟誰也不愛打交道。它在很多地方派不上用場，可在白熾燈里卻可一顯身手。燈泡里一旦充進了氮氣，對白熾的燈絲會形成壓迫，對那些企圖脫離集體四處亂竄的鎢分子毫不客氣，狠狠地頂撞回去，叫它們重返工作崗位。這樣一來，鎢絲的蒸發速度就慢得多了。

看上去似乎問題解決了，其實困難還不止這些。比如與真空燈泡相比，充氣的燈泡會把熱量傳遞給玻璃殼，增加熱損失，降低發光效率。順著充惰性氣體的思路，似乎可以用氪、氙這類分子量大，傳熱能力差的惰性氣體，可是氪、氙卻是不容易弄出來的。好吧，惰性氣體這條路算是走進死胡同了，換個思路吧。研究人員又把焦點聚集到了燈絲的成分和結構上。首先在鎢絲鍍上錸，由于錸有熔點高、耐腐蝕、機械性能好，電阻率高的特點，這樣的結合使得燈絲壽命可以延長5倍。另一方面為了提高發光溫度，燈絲必須做得很長，燈絲也被加工成了螺旋狀。就跟濕衣服攤開要比團在一起更容易晾干的道理一樣，燈絲做成螺旋形不僅縮小了空間，還提高了發光效率。后來甚至還有雙螺旋燈絲，這樣效果就更好了。

此外，惰性氣體的保護作用隨著充填氣體壓力的增加而加強，為此燈泡的體積越小越好；可為了使蒸發的鎢不至于快速把玻璃殼變黑，玻璃殼得盡可能做大一些。這就又是一個矛盾。得找到一個辦法，既能抑制鎢絲蒸發，又能在鎢原子溜到玻璃殼壁以后，去把它抓回來。到了1959年，一位名叫弗里德里奇的美國人，才終于發現鹵族元素及其化合物能完成這一任務。鹵族元素簡稱鹵素，包括氟、氯、溴、碘等。它們在一定的溫度條件下，能夠同鎢化合，生成氟化鎢、氯化鎢、溴化鎢、碘化鎢，統稱鹵化鎢，而在更高的溫度下，它們又會順利地分解成鎢和鹵素，恢復本來的面目。根據這個特點，只要在燈泡里充進一點鹵素，接通電源以后，燈絲發熱放光的同時開始蒸發。蒸發出來的鎢，大部分被惰性氣體頂撞回去，還有一部分向玻璃殼內壁運動，并在溫度逐漸降低的情況下與鹵素結合，生成鹵化鎢氣體。鹵化鎢氣體反過來又向燈絲方向擴散，大約在距燈絲只有幾毫米遠的地方，又因高溫而分解成鎢和鹵素，分解出來的鎢可以重新沉積到燈絲上的，鹵素則返回玻璃殼內壁附近去參加下一次反應。當然，對鹵素的具體應用還走了許多彎路，這里咱們就不一一細說了。

雖然白熾燈經過不斷改良已經變得相當穩定，可是先天不足的它在新科技突飛猛進的日子已經跟不上時代了，給予它致命一擊的，就是熒光燈。和白熾燈靠熱能轉變為光不同(所以稱為熱光源)，熒光燈靠燈內電子與氣體原子之間相互轟擊來激發發光，它比白熾光源的溫度低得多(可以稱為冷光源)。熒光燈的原型是充汞蒸汽放電燈。這種燈里汞的氣壓只有外面空氣壓力的百萬分之一。當放電電流大于0.1安時，這種燈的放電比較強烈，發光強，也是弧光放電。只是它所耗電功率的60％都轉變為紫外線，可見光很少，只有2％左右。可是這世界上有一種熒光物質在紫外線照射下會發出可見光，于是研究人員索性把白色的熒光物質涂在放電管內壁上，就能把大部分紫外線“回收”起來，轉化為可見光。小時候陪我們長大的日光燈就這樣誕生了。

盡管現在熒光燈是我們使用的主力產品，在這其中還伴隨有高壓汞燈、氙燈、金屬鹵化物燈、高壓鈉燈、無極熒光燈等等，但是新一代的光源又已經開始躍躍欲試了，LED(發光二極管)就是其中的代表。不管最終LED能否取代熒光燈，只要咱們還有一點不滿足，那新的光源就會源源不斷地出現來滿足我們。只是看著現在燈光四射的夜晚，咱們是否更懷念老祖宗那時抬頭滿天繁星的年代呢?