萤火虫发光原理详解 萤火虫为什么会发光( 五 )


通过学习弄清萤火虫等动植物的发光机制,未来的光能技术也将越来越高级 。
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发光细胞中含有两类化学物质,一类叫作荧光素,另一类叫作荧光素酶 。荧光素在荧光素酶的催化作用下,会与空气中的氧发生化学反应,并释放能量,主要以荧光的形式发出 。因此,萤火虫发光是一种生化反应 。
萤火虫发光为什么会一闪一闪呢?这是因为萤火虫也在呼吸,气管中输送的氧气不均衡,氧气充足时,发光细胞里的化学反应就强烈,亮度就强;反之反应缓慢,光亮就会变弱,甚至黯淡无光 。
在萤火虫体内,还有一种叫三磷酸腺苷(ATP)的化学物,能够调节荧光素的发光功能,在荧光变弱时重新发出光来 。
萤火虫发光的作用一是对自己觅食起到照明作用,二是对敌人起到恐吓和防御作用,更重要的是为了求偶而发出的信息交流 。成虫在晚上会通过发出不同的光寻找伴侣,雄虫一般发光时间为0.2秒,间隔时间为2.2秒;雌虫在雄虫发光后0.5秒做出回应 。
二、萤火虫发出的也是光子吗?当然,这个世界上所有的光都是电磁波,而且都是由光子为媒介传导的 。那么一只萤火虫能发出多少光子呢?这就要从可见光的波长说起了 。
可见光是约由7种颜色组成,波长约在380~760nm(纳米)之间,不同颜色的光波长是不一样,红光波长最长,紫光波长最短 。萤火虫发出的光有绿色、黄色、橙色、红色等多种颜色或渐变色,从绿色到红色光的波段介于492~760nm之间 。
我们折中一下,平均为626nm,这样我们就可以大约计算出萤火虫发出的光子有多少 。先要计算出626nm光子的能量,计算公式为:E=hc/λ 。这里的E代表能量;h代表普朗克常数,约6.626*10^-34J·s;λ为光量子波长 。
这样,我们可以计算出626nm波长的光子每个能量约3.17*10^-19J(焦耳) 。那么萤火虫每秒钟能够发出多少个这样的光子呢?这得看萤火虫的光度有多大了 。搜索许久,都没有找到专门研究萤火虫亮度的资料,只找到有一项研究认为,1000只萤火虫相当于一只20瓦的电灯泡的光度 。
不同种类电灯的光效是不一样的,也就是说,电灯能量转化成光子发出的效率是不一样的,白炽灯最小,发光效率只占到其能量的15%,其余大部分能量转化为热能了;相对比较,日光灯光效率可达50%,LED节能灯光效率可达90% 。
该研究没有说这1000只萤火虫发出的光是相当于那种20瓦的灯泡,但一般与灯泡相比只能是指白炽灯 。按白炽灯来计算,20瓦灯泡光效率只有15%,也就是约3瓦,每秒发出的光子能量就是3J,这样,每秒释放626nm波长的光子就约有9.5*10^18个 。
除以1000只萤火虫,每只萤火虫每秒钟释放的光子就有约9.5*10^15个,就是9500万亿个 。不少啊,难怪我们看到的萤火虫一闪一闪很亮 。
一些研究认为,萤火虫的发光效率很高,可以达到88~90%,还有的说高达95%,因此能量极少转化为热量,是公认的冷光源 。现在的LED发光效率达到了90%,和萤火虫发光效率差不多,因此也应该属于冷光源 。
三、萤火虫的冷光源机制带给人类的启示冷光源的发光原理,是在电场作用下,产生的电子碰撞激发荧光材料而产生发光现象,具有优良的光学特性和较高的发光效率 。总体上说,冷光源工作时基本不发热或者少发热 。
萤火虫的发光特性带给人类很多启示,人们从萤火虫的发光器中成功提取了荧光素和荧光素酶,通过分析了解了其成分,再通过化学合成方法成功制备出这些物质,应用在发光设备上,大大提升了发光效率 。

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