當前位置:首頁  >  興趣圈  >  兒童樂園  >  讀一讀  >  科學故事

夜晚的“彩虹”

分享到:

  

  圖片來源:pixabay

  夜幕降臨,城市里亮起了各種彩色的燈光,它們裝點著招牌、廣告牌和大街小巷,為城市增添熱鬧與繁華。這些絢麗燈光就如彩虹一般,所以有了一個好聽的名字——霓虹燈。

  霓虹燈是怎么把彩虹“捕捉”進燈管里的呢?這些在夜晚出現的“彩虹”其實是靠一類名叫惰性氣體的物質發光的。但是惰性氣體本身不會發光,通常沒有顏色,從它們的名字——“惰性氣體”,你可以看出它們是一種“很懶”的氣體,不愛發生化學反應,在一般環境條件下總是非常穩定。所以要想讓它們發光,就必須使用非常手段——電。

  最常見的霓虹燈里裝的是氖氣,也就是由氖這種化學元素構成的單質氣體。要想制作一個霓虹燈,首先需要將玻璃燈管中的空氣都抽走,然后充入少量氖氣,燈管的兩端各有一個電極——一個正極,一個負極。當燈管通電時,電極兩端形成高電壓(幾千到上萬伏),氖原子的外層電子獲得了足夠的能量就不再受中心原子核的束縛,像只脫韁的野馬一樣跑了出去,這個過程就叫做電離。但這些逃出的電子并不是像無頭蒼蠅那樣四處亂撞,而是朝向與它們電性相反的正極移動。另一方面,氖原子失去了帶負電的電子變成了帶正電的離子,它們會受到負電極的吸引而流向那里。如此一來燈管里便產生了電流,而這些帶電粒子形成的氣體狀的物質就叫做等離子體。

  電是通了,那么光又是從哪兒來的呢?氖原子中的電子被大量激發出來以后,在電壓的持續驅動下,燈管中的帶電粒子會不停加速“奔跑”,一大群運動的粒子難免相互碰撞,這時候電子又會被正電離子吸引,變回最開始的原子。在這個過程中,能量較高的電子會釋放多余的能量,從高能態降到低能態,讓自己更“穩一點”,而它們釋放能量的形式就是光子。當釋放光子的數量足夠多,你就會看到明亮的燈光了。

  發光的問題解決了,可霓虹燈的顏色又是怎么來的?我們日常使用的白熾燈之所以是白色的,是因為其中的帶電粒子發出的光波幾乎包含所有顏色(波長)的可見光,就像陽光一樣。而霓虹燈中的特定氣體只釋放特定波長范圍的光,氣體原子的能級結構決定了它所釋放光線波長,通常波長越短,顏色越偏藍紫,反之則越偏紅。霓虹燈中最常用的氖氣通電后可以發出鮮艷的橙紅色光。

  一種顏色還是太單調,算不上“彩虹”,要想獲得其他顏色的光,通常有兩種辦法。第一種方法是使用其他種類的氣體,比如氦氣電離后可以發出粉紅色的光、氬氣對應藍紫光、氪氣對應藍綠光。你還可以通過混合不同氣體像調色板一樣獲得新的顏色。另一種方法更常用——把不同顏色的熒光粉涂在燈管的內壁,透過這些彩色燈管,燈光的顏色就可以被任意改變了。

  霓虹燈從上世紀就已經流行開來,成為繁華城市必不可少的一部分。但是霓虹燈的制作工藝相對復雜,玻璃燈管也容易碎,還需要動用高壓,因此在科技發達的今天,它們已經逐漸被更加節能高效的彩色LED燈所替代。無論是霓虹燈還是彩色LED燈,它們都是人類文明編織出的華麗“彩虹”。

  參考資料:

  https://www.thoughtco.com/how-neon-lights-work-606167

  https://www.coolkidfacts.com/neon-facts/

  https://zh.wikipedia.org/wiki/%E9%9C%93%E8%99%B9%E7%87%88

  https://en.wikipedia.org/wiki/Neon_lighting

  作者:Mirror

  審稿:張軒中(科普作家,中國物理學會會員)