辉光放电为什么会发光？

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先看看辉光放电的定义：根据中国大百科全书的定义，辉光放电通常是指一种低气压的自持放电。一般在放电管中进行，因发出弥漫的辉光，颜色因工作气体的种类而异，故称辉光放电。这里弥漫的辉光是指一种散发出的微弱但持续的光辉或光芒，具体指的是辉光放电管中会出现不同的条纹，且条纹的亮度有暗有亮，不同位置条纹的宽度也有差异。
辉光放电至今已经有接近200年的研究时间了。1831 ~ 1835年M.法拉第发现了辉光放电现象和后来以他的名字命名的法拉第暗区。1870年W.克鲁克斯使用这样的放电管研究气体放电现象,后来将这样的放电管也称为克鲁克斯管。辉光放电的特点是放电管中出现几个特殊的亮区和暗区。从不同放电区域的示意图和典型的放电照片中可以看的到，整个放电区域从阴极到阳极可以分为(见图1): 阴极暗区,负辉光区,法拉第暗区,正辉光区和阳极辉光区。其中阴极暗区将阴极和负辉光区隔开,电压降主要发生在这一区域,对应的电场强度也最大; 而在负辉光区域，电场强度基本为零。负辉光区域和正辉光区域之间隔着法拉第暗区,正辉光区域一直延展到阳极辉光区,其光强、电场强度和电势分布相对比较均匀。



图1 辉光放电不同区域分布

辉光放电的这种放电特性与其中发生的复杂物理过程有关。当在阴阳极之间施加高压直流电(几千伏到上百千伏)时,存在于背景气体中的小部分离子,以及自由电子被电场加速向不同方向运动。其中离子向阴极运动,经过阴极电势降的加速,以极高的能量轰击阴极表面,产生大量的二次电子。新产生的二次电子以及少量的初始电子经过电场,尤其是阴极附近的高场强区域的电场加速后具有很高的能量,在向阳极运动的过程中,通过非弹性碰撞,向原子或者分子传递能量，将这些低能粒子转化为能够发光的激发态粒子。由于阴极暗区处的高能电子对中性粒子的电离，这一发光过程主要发生在负辉光区，从而也使得阴极附近区域对放电的维持起着重要的作用。正辉光区的出现通常需要放电管足够长且比较细,此时带电粒子在向电极运动的过程中一方面存在向壁面的损失; 另一方面,由于此处的电场强度维持在一定的数值上,能够维持足够多的高能带电粒子以产生更多的电子和离子来平衡带电粒子向壁面的损失。
以单个自由电子为例，当电子从阴极出发时，会在电场的加速作用下向阳极运动，此时电子会积累一定的能量，但还没有达到中性原子的激发能或者电离能，因此这部分区域不会发光，因此是阴极暗区，当电子积累的能量达到中性原子的激发能时，此时按理就会有一定的概率形成激发态原子，然后激发态原子在退激过程中会产生光子，释放能量，因此就会有光存在。当电子积累的能量达到中性原子电离能时，此时会发生电离反应，然后生成的离子会和电子发生复合反应，在这个过程中，电子的能量会以释放光子的形式释放出来，这一过程涉及离子发光的过程，这部分通过激发态原子退激发光和离子-电子复合过程发光的区域称为负辉光区。然后电子因为把能量损失了，必须重新在电场中积累能量，因此就会有一段距离用于电子储存能量，这部分区域成为法拉第暗区。最后在正辉光区或者叫正柱区，这里存在大量的高能电离，引发足够的激发和电离，复合，因此也会发光。在电子快要达到阳极时，获得足够的能量，此时也会发生激发反应，退激过程中同样会产生光线。
而且需要注意的是，暗和辉光是相对的，暗区并不是绝对的没有光产生，只是相对亮的辉光区域比较暗。
这里提到了离子发光过程。
气体的电子得到足够的能量(大于气体的离化能)之后，可以完全脱离原子，即被电离。这种电子比在固体中自由得多，它具有较大的动能，以较高的速度在气体中飞行，而且电子在运动过程中与其他粒子会产生碰撞，使更多的中性粒子电离。在大量的中性粒子不断电离的同时，还有一个与电离相反的过程，就是复合现象。所谓复合就是两种带电的粒子结合形成中性原子。在复合过程中，电子将能量以光的形式放出来，这种现象就称之为离子发光。
因此，辉光放电发光主要是两个原因造成的，第一：激发态原子在能级跃迁过程中，从高能级向低能级跃迁，退激发过程，会以光子的形式释放能量。第二：电离产生的离子与电子的复合过程，电子的能量会以光子的形式释放，这一过程也会发光。理论上只要有这两种过程存在，就有光，光的强弱取决于上述反应的多少。光的颜色取决于不同原子种类发生上述反应时的能级差。
这里面涉及到了原子发光的物理原理
原子发光现象是重要的量子现象之一，它反映了原子内部能级的变化。
当原子中的电子受到激发跃迁到高能级后，电子会向能量较低的能级发生跃迁，原子就会释放光子。电子是带负电荷的粒子，绕着原子核（带有净的正电荷）运动。原子中的电子有不同的能级，这取决于很多因素，其中包括电子的速度以及与原子核的距离。不同能级的电子占据不同的轨道。一般说来，能量较高的电子在距离原子核较远的轨道上运动。当原子获得或失去能量时，这个变化就通过电子的运动表现出来。当某物将能量（比如，热量）传递给一个原子时电子就会暂时跃迁到一个更高（离原子核更远）的轨道上。电子在这个位置上仅仅停留很短的时间，它几乎立即就被拉向原子核，回到它的初始轨道。在返回初始轨道的同时，电子会将多余的能量以光子（有时是可见光光子）的形式释放出来。
根据经典电动力学，电子辐射的电磁波的频率，就是它绕核转动的频率。电子转动能量越小，离原子核就越近，转动就越快。这个变化是连续的，应该可以观察到原子辐射的各种频率（波长）的光，即原子光谱应该是连续的，但实际上观察到的是分立的线状谱。
为了说明原子发光的机制，玻尔作了一些假定。这就是所谓的量子力学，原子光谱是不同能级跃迁的产物。当电子从一个能量较大的状态跳跃到另一个能量较小的状态时，电子的总能量发生变化，这部分能量的改变值，就以光子的形式辐射出来；反之，当电子从一个能量较小的状态跃迁到能量较大的状态时，它吸收光子。辐射（吸收）频率v与跃迁始末的两个定态能量Em、En之间的关系由下式决定：|Em-En|=hv。其中是v频率。因此，光谱的波长或频率主要是与发生跃迁时两个能级的能量差有关。这就是为什么不同原子种类会有不同的原子发射光谱。

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