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                            气体放电中粒子的相互作用与能量交换

                            来源:hkguanyu.com 发布时间:2019-01-03 返回
                             一、概述
                              荧光灯或者是节能荧光灯,是低气压汞蒸气气体放电光致发光电光源。其发光机理涉及到两个物理过程,即:气体放电物理和光致发光物理过程。气体放电与光致发光这两个物理过程,理论深奥,较难理解和把握。但是,气体放电与光致发光这两个物理过程,确实又是荧光灯或者是节能荧光灯研发设计、生产中,需要认真把握的两个基本领域。本文作者韩俭荣从深入浅出的角度,对气体放电中的基本粒子的相互作用和能量交换,给予概要的描述。仅供参考。不对之处,敬请斧正。
                             
                              二、研究气体放电物理过程应把握的重点和目的
                              荧光灯管内部电离气体,在外加电场作用下的一切宏观现象及其运动规律。其技术机理是:微观领域中的各种粒子之间的相互作用及其能量传递、转化的规律。因此,研究气体放电物理过程,应重点把握:
                              1、把握荧光灯管内部电离气体,在外加电场的作用下,所发生的宏观现象及其运动规律。
                              2、把握荧光灯管内部电离气体的微观领域中,在外加电场的作用下,所发生的微观基本过程及其粒子之间相互作用的规律。(青岛法兰克微电子韩俭荣撰写的专题文章。有厂家将文章删掉作者的单位名称和作者的名字。而后,或者整篇或者大篇幅的,直接应用于自己的网站上。希望以后不要这样。)
                              3、荧光灯管内部电离气体中,各种粒子所受到的外力,起主导作用的是外加电场力。各种粒子在相互作用中,其传递、转化的能量均是由电场能量转化而来的。
                             
                              研究气体放电物理过程的目的:
                              把上述几个方面联系起来,透过宏观现象及其运动规律,来了解和理解微观领域中的微观基本过程及其运动规律。用微观领域中的粒子之间的相互作用机理及规律,来分析解释宏观现象及其运动规律。
                             
                              三、研究气体放电物理过程应把握的几个物理概念
                              (一)、气体电离和电离气体
                              气体电离:在某种外力的作用下,电子获得能量从气体原子中脱离,这种现象就称为:气体电离。使气体原子发生电离的外力可以有多种。比如:温度升高,高压电场等等。
                              电离气体:气体原子发生电离后的气体媒质,就称为电离气体。电离气体中,有三种基本粒子,即:电子、正离子和中性原子。
                             
                              (二)、气体放电与气体放电中的粒子
                              气体放电:如果使气体电离的外力是电场力,并且在外加电场力的作用下,电离气体中又形成传导电流,这个物理过程称之为:气体放电。
                              气体放电中的粒子:气体放电中的粒子与电离气体中的粒子不同。在气体放电过程中,有6中基本粒子存在。即:光子、电子、正离子、负离子、基态原子、激发态原子。
                             
                              (三)、气体放电中粒子相互作用的核心
                              气体放电,是一个复杂的粒子运动体系。整个过程中涉及到上述6种粒子的状态及相互作用。气体放电中,6种粒子的能量状态、运动状态和电性状态是不同的。如光子的能量,决定于它的辐射频率。电子的能量决定于它的运动速度。(青岛法兰克微电子韩俭荣撰写的专题文章。有厂家将文章删掉作者的单位名称和作者的名字。而后,或者整篇或者大篇幅的,直接应用于自己的网站上。希望以后不要这样。)气体放电中,粒子的相互作用的核心:是其能量状态、能量交换和能量转化的规律。
                             
                              (四)、气体放电中粒子的物理状态
                              气体放电中,粒子的相互作用规律,主要体现在其能量状态、能量交换和能量转化的运动过程中。这里包括其运动状态和电性状态,我们统称为:粒子的物理状态。气体放电中,粒子的物理状态是一个运动着的、复杂的体系。粒子之间都在发生着不同状态的相互作用,粒子也各自具有不同的物理状态。同一个粒子在与其它粒子发生相互作用的过程中,时时刻刻也具有不同的物理状态。在某一时刻,粒子可能是某种单一的物理状态,也可能是某种物理状态起主导作用的几种物理状态的复合状态。
                             
                              (五)、气体放电中粒子的能量交换与转化
                              气体放电中,粒子相互作用时,相互交换和转化的能量有:动量、动能、位能和电荷。使粒子之间相互发生电离、复合、光子辐射、光子吸收等等基本物理现象。
                             
                              气体放电中,粒子相互交换和转化的能量,同样是一个运动着的、复杂的体系。微观领域中,每一时刻都在进行着以某种能量占主导地位的能量交换与转化。
                             
                              相互作用过程中交换和转化的的能量不同,相互作用的粒子其物理状态亦不同。比如能量交换中,动量和动能占主导地位时,粒子的物理状态将是以扩散和漂移运动为主。如在相互作用过程中交换的能量转化为位能,粒子的状态就会由基态变为激发态,粒子发生跃迁产生光辐射。如交换的位能足够多,粒子的状态就会发生电离。如在相互作用过程中只交换了电荷,粒子的电性状态就会发生变化,产生电子捕获和电子复合。
                              
                              四、气体放电中相互作用的形式
                              气体放电中,粒子相互作用的形式是:碰撞。根据碰撞前后粒子的物理状态的变化,碰撞分为:弹性碰撞、非弹性碰撞和辐射碰撞。
                             
                              (一)、弹性碰撞
                              粒子碰撞前后的物理状态特征:
                              1、粒子碰撞时,只交换了部分动能。
                              2、粒子的运动状态:运动方向和运动速度都发生变化。
                              3、粒子碰撞后,粒子的位能没有发生变化,粒子的物理状态没有被激发,也没有被电离。
                              4、粒子的弹性碰撞,主要发生在低能粒子之间的相互作用中。例如,低能电子与气体原子发生碰撞,电子只把一部分动能交给了原子。电子和原子只是运动方向和运动速度发生了变化,原子的位能没有发生变化,原子没有被激发,更不被电离。
                             
                              (二)、非弹性碰撞
                              非弹性碰撞,又分为第一类非弹性碰撞和第二类非弹性碰撞。
                              1、第一类非弹性碰撞:相互碰撞的粒子具有较高的能量,具有较大的动能。粒子碰撞前后的物理状态特征:
                              (1)、粒子碰撞时,粒子之间相互交换了足够大的动能。
                              (2)、粒子的运动状态:粒子的运动方向和运动速度都发生变化。
                              (3)、粒子碰撞后,被碰撞的粒子获得足够大动能,当大于或等于其激发能时,被碰撞的粒子位能发生变化,由基态被激发到激发态。
                              (4)、处在激发态的粒子,发生跃迁产生光辐射,辐射出光子,返回到基态。
                              (5)、粒子碰撞后,粒子交出的动能大于被碰撞的粒子的电离能时,被碰撞的粒子的物理状态就发生电离。发生电离的粒子其电性状态发生变化,在失去一个电子之后,而成为带正电的正离子。
                              (6)、第一类非弹性碰撞,主要发生在具有足够能量的粒子之间的相互作用中。电子与原子之间,原子与原子之间,离子与原子之间,离子与离子之间,光子与原子之间均可以发生第一类非弹性碰撞。发生第一类非弹性碰撞的决定因素是:粒子具有足够大的能量—动能。
                             
                              2、第二类非弹性碰撞:
                              相互碰撞的粒子,其中一方在具有一定的动能的同时,还具有一定的位能,其位能小于被碰撞粒子的激发能。粒子碰撞前后的物理状态特征:(青岛法兰克微电子韩俭荣撰写的专题文章。有厂家将文章删掉作者的单位名称和作者的名字。而后,或者整篇或者大篇幅的,直接应用于自己的网站上。希望以后不要这样。)
                              (1)、粒子碰撞时,粒子之间相互交换了一定的动能,同时又交换了一定的位能。
                              (2)、粒子的运动状态:粒子的运动方向和运动速度都发生变化。
                              (3)、粒子碰撞后,获得位能和动能的粒子,变成具有较高能量的粒子,其运动方向和运动速度发生变化。
                              (4)、交出位能的粒子,其物理状态返回到基态。
                              (5)、第二类非弹性碰撞,主要发生在具有一定动能的同时,还具有一定的位能的粒子与其它粒子之间的相互作用中。这类碰撞是位能减少的碰撞。碰撞过程中,没有粒子被激发也没有粒子被电离。只是位能转化为动能,粒子的运动方向和运动速度都发生变化。
                              (三)、辐射碰撞
                              在第一类非弹性碰撞中,原子发生能级跃迁产生光能量辐射。辐射出来的光子,又会被其它粒子吸收。光子的产生与发射和被其它粒子吸收这种微观领域的物理现象,我们就认定为光子与其它粒子之间发生相互作用,也就是说:光子与其它粒子之间发生了碰撞。在气体放电中,把这种碰撞称之为:辐射碰撞。
                             
                              在荧光灯管内部的微观领域中,辐射碰撞与前面讨论的粒子碰撞过程有很多不同的特性。辐射碰撞前后的物理状态特征:
                             
                              1、导致辐射碰撞的直接外力不是外加电场力,而是微观领域中的光辐射能量。
                              2、微观领域中的光辐射能量,是原子受激后发生能级跃迁将电场能量转化而来的。
                              3、辐射碰撞时,光子交出能量后就自动消失,光子自身就不存在了。
                              4、辐射碰撞时,当被碰撞的粒子是气体原子,如光子的交出的能量大于原子的激发能或电离能,气体原子就会被激发发生能级跃迁或发生电离。我们把辐射碰撞引起的原子的激发和电离现象,称之为:光致激发和光致电离。
                              5、荧光灯管内部的微观领域中,原子受激产生光辐射而发射光子,发射出来的光子又引起中性原子激发或电离。这种微观领域中辐射碰撞时粒子的物理状态,在荧光灯管气体放电光致发光的过程中具有很重要的意义。
                              6、禁锢辐射发生的机理。在荧光灯管内部的微观领域中,某区域内的原子受激发后,发生能级跃迁产生光辐射,辐射出光子。该光子又与其它原子发生辐射碰撞,被碰撞的原子吸收该光子的能量后,由基态被激发到激发态,发生能级跃迁产生光辐射,辐射出光子。新辐射出的光子的波长,与第一个受激原子所辐射出的光子波长相同。这种激发—辐射—碰撞—再激发—再辐射的过程,会连续不断的发生进行下去,一直到那个光子离开放电区域为止。把这种性质的辐射,我们称之为:禁锢辐射。
                             
                              四、结论
                              1、荧光灯管内部电离气体,在外加电场作用下的一切宏观现象及其运动规律。均决定于微观领域中,粒子之间的相互作用及其能量传递、转化的规律。
                              2、微观领域中,粒子之间的碰撞种类不同,碰撞前后粒子的物理状态不同。
                              3、微观领域中,粒子之间的碰撞种类不同,碰撞过程中交换和转化的能量是不同的。
                              4、微观领域中,粒子在相互作用中,其传递、转化的能量均是由电场能量转化而来的。
                              5、微观领域中,粒子相互作用中起主导作用的外力是电场力。
                              6、控制外加电场力,会改变微观领域中,各种粒子之间的相互作用及其能量传递、转化的规律。
                              7、控制外加电场力,可以控制荧光灯管的宏观现象及其运动规律。

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