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夜晚的“彩虹”

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  图片来源:pixabay

  夜幕降临,城市里亮起了各种彩色的灯光,它们装点着招牌、广告牌和大街小巷,为城市增添热闹与繁华。这些绚丽灯光就如彩虹一般,所以有了一个好听的名字——霓虹灯。

  霓虹灯是怎么把彩虹“捕捉”进灯管里的呢?这些在夜晚出现的“彩虹”其实是靠一类名叫惰性气体的物质发光的。但是惰性气体本身不会发光,通常没有颜色,从它们的名字——“惰性气体”,你可以看出它们是一种“很懒”的气体,不爱发生化学反应,在一般环境条件下总是非常稳定。所以要想让它们发光,就必须使用非常手段——电。

  最常见的霓虹灯里装的是氖气,也就是由氖这种化学元素构成的单质气体。要想制作一个霓虹灯,首先需要将玻璃灯管中的空气都抽走,然后充入少量氖气,灯管的两端各有一个电极——一个正极,一个负极。当灯管通电时,电极两端形成高电压(几千到上万伏),氖原子的外层电子获得了足够的能量就不再受中心原子核的束缚,像只脱缰的野马一样跑了出去,这个过程就叫做电离。但这些逃出的电子并不是像无头苍蝇那样四处乱撞,而是朝向与它们电性相反的正极移动。另一方面,氖原子失去了带负电的电子变成了带正电的离子,它们会受到负电极的吸引而流向那里。如此一来灯管里便产生了电流,而这些带电粒子形成的气体状的物质就叫做等离子体。

  电是通了,那么光又是从哪儿来的呢?氖原子中的电子被大量激发出来以后,在电压的持续驱动下,灯管中的带电粒子会不停加速“奔跑”,一大群运动的粒子难免相互碰撞,这时候电子又会被正电离子吸引,变回最开始的原子。在这个过程中,能量较高的电子会释放多余的能量,从高能态降到低能态,让自己更“稳一点”,而它们释放能量的形式就是光子。当释放光子的数量足够多,你就会看到明亮的灯光了。

  发光的问题解决了,可霓虹灯的颜色又是怎么来的?我们日常使用的白炽灯之所以是白色的,是因为其中的带电粒子发出的光波几乎包含所有颜色(波长)的可见光,就像阳光一样。而霓虹灯中的特定气体只释放特定波长范围的光,气体原子的能级结构决定了它所释放光线波长,通常波长越短,颜色越偏蓝紫,反之则越偏红。霓虹灯中最常用的氖气通电后可以发出鲜艳的橙红色光。

  一种颜色还是太单调,算不上“彩虹”,要想获得其他颜色的光,通常有两种办法。第一种方法是使用其他种类的气体,比如氦气电离后可以发出粉红色的光、氩气对应蓝紫光、氪气对应蓝绿光。你还可以通过混合不同气体像调色板一样获得新的颜色。另一种方法更常用——把不同颜色的荧光粉涂在灯管的内壁,透过这些彩色灯管,灯光的颜色就可以被任意改变了。

  霓虹灯从上世纪就已经流行开来,成为繁华城市必不可少的一部分。但是霓虹灯的制作工艺相对复杂,玻璃灯管也容易碎,还需要动用高压,因此在科技发达的今天,它们已经逐渐被更加节能高效的彩色LED灯所替代。无论是霓虹灯还是彩色LED灯,它们都是人类文明编织出的华丽“彩虹”。

  参考资料:

  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

  审稿:张轩中(科普作家,中国物理学会会员)