一、概述
熒光燈或者是節(jié)能熒光燈，是低氣壓汞蒸氣氣體放電光致發(fā)光電光源。其發(fā)光機(jī)理涉及到兩個(gè)物理過(guò)程，即：氣體放電物理和光致發(fā)光物理過(guò)程。氣體放電與光致發(fā)光這兩個(gè)物理過(guò)程，理論深?yuàn)W，較難理解和把握。但是，氣體放電與光致發(fā)光這兩個(gè)物理過(guò)程，確實(shí)又是熒光燈或者是節(jié)能熒光燈研發(fā)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)中，需要認(rèn)真把握的兩個(gè)基本領(lǐng)域。本文作者韓儉榮從深入淺出的角度，對(duì)氣體放電中的基本粒子的相互作用和能量交換，給予概要的描述。僅供參考。不對(duì)之處，敬請(qǐng)斧正。
二、研究氣體放電物理過(guò)程應(yīng)把握的重點(diǎn)和目的
熒光燈管內(nèi)部電離氣體，在外加電場(chǎng)作用下的一切宏觀(guān)現(xiàn)象及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律。其技術(shù)機(jī)理是：微觀(guān)領(lǐng)域中的各種粒子之間的相互作用及其能量傳遞、轉(zhuǎn)化的規(guī)律。因此，研究氣體放電物理過(guò)程，應(yīng)重點(diǎn)把握：
1、把握熒光燈管內(nèi)部電離氣體，在外加電場(chǎng)的作用下，所發(fā)生的宏觀(guān)現(xiàn)象及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律。
2、把握熒光燈管內(nèi)部電離氣體的微觀(guān)領(lǐng)域中，在外加電場(chǎng)的作用下，所發(fā)生的微觀(guān)基本過(guò)程及其粒子之間相互作用的規(guī)律。（青島法蘭克微電子韓儉榮撰寫(xiě)的專(zhuān)題文章。有廠(chǎng)家將文章刪掉作者的單位名稱(chēng)和作者的名字。而后，或者整篇或者大篇幅的，直接應(yīng)用于自己的網(wǎng)站上。希望以后不要這樣。）
3、熒光燈管內(nèi)部電離氣體中，各種粒子所受到的外力，起主導(dǎo)作用的是外加電場(chǎng)力。各種粒子在相互作用中，其傳遞、轉(zhuǎn)化的能量均是由電場(chǎng)能量轉(zhuǎn)化而來(lái)的。
研究氣體放電物理過(guò)程的目的：
把上述幾個(gè)方面聯(lián)系起來(lái)，透過(guò)宏觀(guān)現(xiàn)象及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律，來(lái)了解和理解微觀(guān)領(lǐng)域中的微觀(guān)基本過(guò)程及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律。用微觀(guān)領(lǐng)域中的粒子之間的相互作用機(jī)理及規(guī)律，來(lái)分析解釋宏觀(guān)現(xiàn)象及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律。
三、研究氣體放電物理過(guò)程應(yīng)把握的幾個(gè)物理概念
?。ㄒ唬?、氣體電離和電離氣體
氣體電離：在某種外力的作用下，電子獲得能量從氣體原子中脫離，這種現(xiàn)象就稱(chēng)為：氣體電離。使氣體原子發(fā)生電離的外力可以有多種。比如：溫度升高，高壓電場(chǎng)等等。
電離氣體：氣體原子發(fā)生電離后的氣體媒質(zhì)，就稱(chēng)為電離氣體。電離氣體中，有三種基本粒子，即：電子、正離子和中性原子。
（二）、氣體放電與氣體放電中的粒子
氣體放電：如果使氣體電離的外力是電場(chǎng)力，并且在外加電場(chǎng)力的作用下，電離氣體中又形成傳導(dǎo)電流，這個(gè)物理過(guò)程稱(chēng)之為：氣體放電。
氣體放電中的粒子：氣體放電中的粒子與電離氣體中的粒子不同。在氣體放電過(guò)程中，有6中基本粒子存在。即：光子、電子、正離子、負(fù)離子、基態(tài)原子、激發(fā)態(tài)原子。
?。ㄈ?、氣體放電中粒子相互作用的核心
氣體放電，是一個(gè)復(fù)雜的粒子運(yùn)動(dòng)體系。整個(gè)過(guò)程中涉及到上述6種粒子的狀態(tài)及相互作用。氣體放電中，6種粒子的能量狀態(tài)、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和電性狀態(tài)是不同的。如光子的能量，決定于它的輻射頻率。電子的能量決定于它的運(yùn)動(dòng)速度。（青島法蘭克微電子韓儉榮撰寫(xiě)的專(zhuān)題文章。有廠(chǎng)家將文章刪掉作者的單位名稱(chēng)和作者的名字。而后，或者整篇或者大篇幅的，直接應(yīng)用于自己的網(wǎng)站上。希望以后不要這樣。）氣體放電中，粒子的相互作用的核心：是其能量狀態(tài)、能量交換和能量轉(zhuǎn)化的規(guī)律。
?。ㄋ模?、氣體放電中粒子的物理狀態(tài)
氣體放電中，粒子的相互作用規(guī)律，主要體現(xiàn)在其能量狀態(tài)、能量交換和能量轉(zhuǎn)化的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中。這里包括其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和電性狀態(tài)，我們統(tǒng)稱(chēng)為：粒子的物理狀態(tài)。氣體放電中，粒子的物理狀態(tài)是一個(gè)運(yùn)動(dòng)著的、復(fù)雜的體系。粒子之間都在發(fā)生著不同狀態(tài)的相互作用，粒子也各自具有不同的物理狀態(tài)。同一個(gè)粒子在與其它粒子發(fā)生相互作用的過(guò)程中，時(shí)時(shí)刻刻也具有不同的物理狀態(tài)。在某一時(shí)刻，粒子可能是某種單一的物理狀態(tài)，也可能是某種物理狀態(tài)起主導(dǎo)作用的幾種物理狀態(tài)的復(fù)合狀態(tài)。
（五）、氣體放電中粒子的能量交換與轉(zhuǎn)化
氣體放電中，粒子相互作用時(shí)，相互交換和轉(zhuǎn)化的能量有：動(dòng)量、動(dòng)能、位能和電荷。使粒子之間相互發(fā)生電離、復(fù)合、光子輻射、光子吸收等等基本物理現(xiàn)象。
氣體放電中，粒子相互交換和轉(zhuǎn)化的能量，同樣是一個(gè)運(yùn)動(dòng)著的、復(fù)雜的體系。微觀(guān)領(lǐng)域中，每一時(shí)刻都在進(jìn)行著以某種能量占主導(dǎo)地位的能量交換與轉(zhuǎn)化。
相互作用過(guò)程中交換和轉(zhuǎn)化的的能量不同，相互作用的粒子其物理狀態(tài)亦不同。比如能量交換中，動(dòng)量和動(dòng)能占主導(dǎo)地位時(shí)，粒子的物理狀態(tài)將是以擴(kuò)散和漂移運(yùn)動(dòng)為主。如在相互作用過(guò)程中交換的能量轉(zhuǎn)化為位能，粒子的狀態(tài)就會(huì)由基態(tài)變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)，粒子發(fā)生躍遷產(chǎn)生光輻射。如交換的位能足夠多，粒子的狀態(tài)就會(huì)發(fā)生電離。如在相互作用過(guò)程中只交換了電荷，粒子的電性狀態(tài)就會(huì)發(fā)生變化，產(chǎn)生電子捕獲和電子復(fù)合。
四、氣體放電中相互作用的形式
氣體放電中，粒子相互作用的形式是：碰撞。根據(jù)碰撞前后粒子的物理狀態(tài)的變化，碰撞分為：彈性碰撞、非彈性碰撞和輻射碰撞。
?。ㄒ唬?、彈性碰撞
粒子碰撞前后的物理狀態(tài)特征：
1、粒子碰撞時(shí)，只交換了部分動(dòng)能。
2、粒子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)：運(yùn)動(dòng)方向和運(yùn)動(dòng)速度都發(fā)生變化。
3、粒子碰撞后，粒子的位能沒(méi)有發(fā)生變化，粒子的物理狀態(tài)沒(méi)有被激發(fā)，也沒(méi)有被電離。
4、粒子的彈性碰撞，主要發(fā)生在低能粒子之間的相互作用中。例如，低能電子與氣體原子發(fā)生碰撞，電子只把一部分動(dòng)能交給了原子。電子和原子只是運(yùn)動(dòng)方向和運(yùn)動(dòng)速度發(fā)生了變化，原子的位能沒(méi)有發(fā)生變化，原子沒(méi)有被激發(fā)，更不被電離。
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非彈性碰撞，又分為第一類(lèi)非彈性碰撞和第二類(lèi)非彈性碰撞。
1、第一類(lèi)非彈性碰撞：相互碰撞的粒子具有較高的能量，具有較大的動(dòng)能。粒子碰撞前后的物理狀態(tài)特征：
?。?）、粒子碰撞時(shí)，粒子之間相互交換了足夠大的動(dòng)能。
?。?）、粒子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)：粒子的運(yùn)動(dòng)方向和運(yùn)動(dòng)速度都發(fā)生變化。
?。?）、粒子碰撞后，被碰撞的粒子獲得足夠大動(dòng)能，當(dāng)大于或等于其激發(fā)能時(shí)，被碰撞的粒子位能發(fā)生變化，由基態(tài)被激發(fā)到激發(fā)態(tài)。
?。?）、處在激發(fā)態(tài)的粒子，發(fā)生躍遷產(chǎn)生光輻射，輻射出光子，返回到基態(tài)。
（5）、粒子碰撞后，粒子交出的動(dòng)能大于被碰撞的粒子的電離能時(shí)，被碰撞的粒子的物理狀態(tài)就發(fā)生電離。發(fā)生電離的粒子其電性狀態(tài)發(fā)生變化，在失去一個(gè)電子之后，而成為帶正電的正離子。
（6）、第一類(lèi)非彈性碰撞，主要發(fā)生在具有足夠能量的粒子之間的相互作用中。電子與原子之間，原子與原子之間，離子與原子之間，離子與離子之間，光子與原子之間均可以發(fā)生第一類(lèi)非彈性碰撞。發(fā)生第一類(lèi)非彈性碰撞的決定因素是：粒子具有足夠大的能量—?jiǎng)幽堋?
2、第二類(lèi)非彈性碰撞：
相互碰撞的粒子，其中一方在具有一定的動(dòng)能的同時(shí)，還具有一定的位能，其位能小于被碰撞粒子的激發(fā)能。粒子碰撞前后的物理狀態(tài)特征：（青島法蘭克微電子韓儉榮撰寫(xiě)的專(zhuān)題文章。有廠(chǎng)家將文章刪掉作者的單位名稱(chēng)和作者的名字。而后，或者整篇或者大篇幅的，直接應(yīng)用于自己的網(wǎng)站上。希望以后不要這樣。）
（1）、粒子碰撞時(shí)，粒子之間相互交換了一定的動(dòng)能，同時(shí)又交換了一定的位能。
（2）、粒子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)：粒子的運(yùn)動(dòng)方向和運(yùn)動(dòng)速度都發(fā)生變化。
?。?）、粒子碰撞后，獲得位能和動(dòng)能的粒子，變成具有較高能量的粒子，其運(yùn)動(dòng)方向和運(yùn)動(dòng)速度發(fā)生變化。
?。?）、交出位能的粒子，其物理狀態(tài)返回到基態(tài)。
?。?）、第二類(lèi)非彈性碰撞，主要發(fā)生在具有一定動(dòng)能的同時(shí)，還具有一定的位能的粒子與其它粒子之間的相互作用中。這類(lèi)碰撞是位能減少的碰撞。碰撞過(guò)程中，沒(méi)有粒子被激發(fā)也沒(méi)有粒子被電離。只是位能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，粒子的運(yùn)動(dòng)方向和運(yùn)動(dòng)速度都發(fā)生變化。
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在第一類(lèi)非彈性碰撞中，原子發(fā)生能級(jí)躍遷產(chǎn)生光能量輻射。輻射出來(lái)的光子，又會(huì)被其它粒子吸收。光子的產(chǎn)生與發(fā)射和被其它粒子吸收這種微觀(guān)領(lǐng)域的物理現(xiàn)象，我們就認(rèn)定為光子與其它粒子之間發(fā)生相互作用，也就是說(shuō)：光子與其它粒子之間發(fā)生了碰撞。在氣體放電中，把這種碰撞稱(chēng)之為：輻射碰撞。
在熒光燈管內(nèi)部的微觀(guān)領(lǐng)域中，輻射碰撞與前面討論的粒子碰撞過(guò)程有很多不同的特性。輻射碰撞前后的物理狀態(tài)特征：
1、導(dǎo)致輻射碰撞的直接外力不是外加電場(chǎng)力，而是微觀(guān)領(lǐng)域中的光輻射能量。
2、微觀(guān)領(lǐng)域中的光輻射能量，是原子受激后發(fā)生能級(jí)躍遷將電場(chǎng)能量轉(zhuǎn)化而來(lái)的。
3、輻射碰撞時(shí)，光子交出能量后就自動(dòng)消失，光子自身就不存在了。
4、輻射碰撞時(shí)，當(dāng)被碰撞的粒子是氣體原子，如光子的交出的能量大于原子的激發(fā)能或電離能，氣體原子就會(huì)被激發(fā)發(fā)生能級(jí)躍遷或發(fā)生電離。我們把輻射碰撞引起的原子的激發(fā)和電離現(xiàn)象，稱(chēng)之為：光致激發(fā)和光致電離。
5、熒光燈管內(nèi)部的微觀(guān)領(lǐng)域中，原子受激產(chǎn)生光輻射而發(fā)射光子，發(fā)射出來(lái)的光子又引起中性原子激發(fā)或電離。這種微觀(guān)領(lǐng)域中輻射碰撞時(shí)粒子的物理狀態(tài)，在熒光燈管氣體放電光致發(fā)光的過(guò)程中具有很重要的意義。
6、禁錮輻射發(fā)生的機(jī)理。在熒光燈管內(nèi)部的微觀(guān)領(lǐng)域中，某區(qū)域內(nèi)的原子受激發(fā)后，發(fā)生能級(jí)躍遷產(chǎn)生光輻射，輻射出光子。該光子又與其它原子發(fā)生輻射碰撞，被碰撞的原子吸收該光子的能量后，由基態(tài)被激發(fā)到激發(fā)態(tài)，發(fā)生能級(jí)躍遷產(chǎn)生光輻射，輻射出光子。新輻射出的光子的波長(zhǎng)，與第一個(gè)受激原子所輻射出的光子波長(zhǎng)相同。這種激發(fā)—輻射—碰撞—再激發(fā)—再輻射的過(guò)程，會(huì)連續(xù)不斷的發(fā)生進(jìn)行下去，一直到那個(gè)光子離開(kāi)放電區(qū)域?yàn)橹?。把這種性質(zhì)的輻射，我們稱(chēng)之為：禁錮輻射。
四、結(jié)論
1、熒光燈管內(nèi)部電離氣體，在外加電場(chǎng)作用下的一切宏觀(guān)現(xiàn)象及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律。均決定于微觀(guān)領(lǐng)域中，粒子之間的相互作用及其能量傳遞、轉(zhuǎn)化的規(guī)律。
2、微觀(guān)領(lǐng)域中，粒子之間的碰撞種類(lèi)不同，碰撞前后粒子的物理狀態(tài)不同。
3、微觀(guān)領(lǐng)域中，粒子之間的碰撞種類(lèi)不同，碰撞過(guò)程中交換和轉(zhuǎn)化的能量是不同的。
4、微觀(guān)領(lǐng)域中，粒子在相互作用中，其傳遞、轉(zhuǎn)化的能量均是由電場(chǎng)能量轉(zhuǎn)化而來(lái)的。
5、微觀(guān)領(lǐng)域中，粒子相互作用中起主導(dǎo)作用的外力是電場(chǎng)力。
6、控制外加電場(chǎng)力，會(huì)改變微觀(guān)領(lǐng)域中，各種粒子之間的相互作用及其能量傳遞、轉(zhuǎn)化的規(guī)律。
7、控制外加電場(chǎng)力，可以控制熒光燈管的宏觀(guān)現(xiàn)象及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律。
