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(物理 理科)真空放電管 発光について

nnm********さん

2013/1/808:25:37

(物理 理科)真空放電管 発光について

真空放電管に高い電圧をかけると とびだした電子と放電管内の気体がぶつかって発光します。

ここで質問なのですが、なぜ電子が気体とぶつかると発光するのでしょうか??
また、放電管内の空気の圧力によって発光する色が変わるのは何故ですか???

できれば、中学生でもわかるように、教えていただけるとありがたいです。
すいませんが、よろしくお願いいたします。

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tos********さん

2013/1/1509:45:26

エネルギーを持つ電子が気体に衝突すると、そのエネルギーの一部を衝突した気体に渡して跳ね返ります。

エネルギーをもらった気体内(たとえば空気なら窒素や酸素です。)では、そのエネルギーは気体分子あるいは原子の一番外側を回っている電子に与えられます。

その際、電子が原子あるい分子内にとどまっているが、エネルギーをもらった分だけ高いエネルギー状態(励起状態という)になるか、電子が気体分子や原子から飛び出して、気体が+イオンになる場合があります。

いずれの場合でも、エネルギーをもらった気体はそのエネルギーを放出して、エネルギーの一番低い状態(基底状態という)に戻るのが物理原則です。

気体がエネルギーをもらって高い状態になるなり方にはいろいろあります。 これはちょうどエネルギーをもたっら人が階段を上ることにたとえれられます。 一段上がる場合もあれば、数段上がる場合もあります。 または、階段を離れるほど高く上がる場合もあります。(イオン化)

従って、高いエネルギー状態から基底状態に落ちる道順もいろいろあります。

気体が励起状態から基底状態に落ちるときに光を放出して落ちる現象があります。 これが放電中の気体の発光に対応します。

この際の発光には原子あるいは分子状態で、いろいろなエネルギー状態から落ちる場合の発光と、イオン化した気体に電子が再び戻ってそこから落ちるときの発光があります。

気体には窒素や酸素などがあるので、発光には多くの波長の光が含まれることになります。 たとえば高いところから落ちるときにはエネルギーの高い、つまり青い光となり、低いところからの発光は赤い光になります。

まとめると、空気には主に窒素と酸素があり、発光過程には、(1)励起窒素原子、(2)励起酸素原子、(3)励起窒素分子、(4)励起酸素分子、(5)窒素分子イオン、(6)窒素原子イオン、(7)酸素分子イオン、(8)酸素原子イオンなどの状態から基底状態に落ちるときの発光があります。

さらにこれらの各々の発光過程にも何段目の階段から落ちるからによって、いろいろな発光があります。

階段は坂道と違って1段、2段。。。というようにディジタルです。 従って各発光もその波長(発光色)は決まっています。(線スペクトルといいます。)

気体の圧力が変わると、どの状態からの発光が多くなるか、つまり、励起分子からか、励起原子からか、あるいはイオンからかによって、その発光比率などが変わってきます。

そのために目に見える発光色が変わってきます。 また、気体が薄いときには薄い赤だったのが、気体が濃くなって、濃い赤になるような色の変化もあります。

実際に、この色をあらかじめ推測することは困難で、実験から発光スペクトルを測定し、これとは別に気体の励起状態のエネルギーを量子力学という理論を使って計算し、どの状態から落ちるときの発光過程かを決めます。

その結果、気体の圧力が高いときには、たとえば励起原子からの発光が多くなるとか、イオンからの発光が多くなるとか、そのような結論を出します。(実験測定から逆に気体のエネルギー状態を推定します。)

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