مقدمه

با گذشت نیم قرن از توسعه چراغهای فلورسنت ، اینک استفاده از این چراغها عمومی شده است و تقریبا تمام روز از روشن کردنشان کوچکترین تأملی در کارکردشان بکنیم این چراغها سرشار از پدیده‌های فیزیکی هستند، هدف از این مقاله بررسی اصول کار آنهاست. برای این منظور جالب خواهد بود اگر چراغ فلوسنت ویژه‌ای تهیه کنیم که تنها نیمی از طول حباب آن را از درون با ماده فلورسنت پوشش داده باشیم. این امر به ما اجازه خواهد داد بتوانیم برخی کارکردهای درونی این ابزار عمومی را بیاموزیم.

نور اولیه

این آزمایش را انجام دهید: طیف نمای دستی ارزانی اختیار کنید و برای بررسی حدود نیم متر از تابش چراغ فلورسنت یاد شده را تنظیم نمایید. طیفی خواهید دید که هر دو نوع خط روشن در آن است، خطوط ویژه گاز ملتهب و طیف پیوسته ویژه جامد ملتهب. این آرایش طیفی کنار هم ، اولین نشانه از آن چیزی است که موجب التهاب چراغ می‌شود، نیمه پوشش داده شده چراغ با ماده فلورسنت ، نور سفید آشنا ناشی از التهاب این نیمه را نشان می‌دهد، ولی نیمه پوشش داده نشده التهابی با روشنایی کمتر به رنگ آبی - بنفش دارد. طیف نیمه پوش داده نشده فقط خط روشن طیف گسیل شده را نشان می‌دهد و پیوستاری ظاهر شده در طیف نیمه پوشش داده شده در آن وجود ندارد.

بخش اعظم تلف شده در تابش رنگ بنفش است که با طول موج 253.7 نانومتر پایین‌تر از طیف مرئی است. در چراغهای معولی ، این نور فرابنفش (UV) پوش دیواره درونی حباب بمباران می‌کند و آن را برانگیخته می‌سازد. ماده پوششش داده شده عموما ترکیبی است از هالوفسفات کلسیم و تنگستات منیزیم با ماده فرابنفش از حباب ، اتم برانگیخته در یک بلور از ماده فلورسنت به دو مرحله گسیل فوتون واهلش می‌یابد (که خاصیت فلورسانس است). یکی از نوار رانش به "تراز فعال" و دیگری از تراز فعال به نوار ظرفیت ، پیوستاری از انرژیها در انتهای طیف ماده پوششی ایجاد خواهد کرد که نتیجه آن ، تولید نور سفید آشنای این گونه چراغهاست.

پلاسمای چراغ

نگاهی دقیقتر به چراغ ، بعضی جزئیات نهان نهفته در فرآیند تولید نور آن را آشکار می‌سازد. برای مثال ، طیف خط روشن ناشی از نیمه پوش نشده چراغ چیزی جز طیف جیوه نیست. انتهای پوشش نشده نسبت به انتهای پوشش شده در گستره نور مرئی کاملا تیره و تار است. علاوه بر این ، در تولید نور در انتهای چپ نیمه پوشش نشده شکافی وجود دارد. این امر ستون پلاسمای بنفش ملتهب را قادر می‌سازد تا ساختار خود را نزدیک کاتد آشکار سازد.

در تخلیه‌های الکتریکی نظیر این ، جفت الکترودها در محفظه‌ای شامل گاز ابتدائا نارسانا قرار داده می‌شوند، سپس اختلاف پتانسیلی به دو سر آنها اعمال می‌شود. ردهای یک الکترون منفرد در گاز ، خواه بوسیله یک فرآیند تصادفی (نظیر برخورد یک پرتو کیهانی با یکی از اتمهای گاز) یا نظیر این حالت ، که فرآیندی عمدی است (مثل تولید بار ساکن بوسیله مالش پارچه‌ای روی قسمت خارجی چراغ) موجب رهایی الکترونهایی در گاز شده که "ریزش بهمن" نامیده می‌شود. الکترونها رها شده اولیه بسوی آند مثبت ، شتاب می‌گیرد، اما قبل از آنکه به آنجا برسد با اتم دیگری از گاز برخورد می‌کند.


اگر انرژی جنبشی آن به قدر کافی زیاد باشد، امکان دارد که الکترون از اتم هدف را پرتاب کند. اگر این امر رخ دهد، هر دو الکترون بسوی آند شتاب می‌گیرند و با اتمهای دیگر گاز برخورد می‌کنند، در نتیجه الکترونهای دیگری را مجددا رها خواهند ساخت. با ادامه این فرآیند، تعدادی الکترون آزاد (و بنابراین ، یونهای مثبت) بطور نمایی در گاز افزایش می‌یابند و پلاسما تشکیل می‌شود. یونهای ایجاد شده نیز در جهت مخالف جابجا می‌شوند. این یونها بسیار سنگینتر از الکترونها هستند و بنابراین کندتر حرکت می‌کنند. وقتی ، بطور تقریب الکترونهای جذب شده در آند با گسیل الکترون ثانویه در کاتد متعادل شود، پلاسما می‌تواند دوام آورد.

این پلاسما در گستره معینی از فشار به سرعت در محفظه بوجود می‌آید و اگر فشار بسیار زیاد باشد (یعنی گاز خیلی چگال باشد)، الکترونها در برخوردهایشان انرژی جنبشی کافی کسب نخواهند کرد که اتمهای دیگر را یونیزه کنند. اما اگر فشار بسیار کم باشد، برخوردهای کمی رخ می‌دهد که ریزش بهمن پیش آید. فشار بهینه با اختلاف پتانسیل 100 وات بین الکتودها موجب تولید و نگهداری پلاسما می‌شود. این فشار در حدود چند تور است (یک تور برابر 133 پاسکال و معادل یک میلیمتر است) و چراغهای فلورسنت جدید با فشاری در حدود 2.5 تور پر می‌شوند. پلاسمای حاصل در حدود 1017 الکترون آزاد در متر مکعب دارد (در حدود یک 10000 اتم گاز در چراغ) و "دمای الکترونی" در حدود 11000 کلوین است.

تولید نور

تمام گاز درون چراغ اغلب آرگون است، اساسا در برگیرنده الکترونهای آزاد و یونهای جیوه می‌باشد و به برانگیختگی جیوه کمک می‌کند. جیوه در فشار بسیار کم (6 تا 10میلی تور) عهده دار گسیل طیف از چراغ است، در حالی که اتمهای جیوه با نسبت تقریبی سیصد به یک ، بیش از اتمهای آرگون است. جیوه امکان معکوس سازی با بازده بالا را میان انرژی الکتریکی ورودی و نور خروجی حاصل فراهم می‌سازد، که بطور قابل ملاحظه‌ای نور فرابنفش با طول موج 253.7 نانومتر در چراغ است. پایینترین حالت برانگیخته جیوه (حالت ³P₁ با انرژی 4.86 الکترون ولت) تصادفا به فقط چند الکترون ولت ، زیر پایینترین حالتهای انرژی دیگر قرار دارد که به این ترتیب می‌تواند مستقیما به حالت پایه فروپاشی کند، بلکه علاوه بر آن در مجاورت دو حالت شبه پایدار نزدیک به هم (در 4.66 و 5.5 الکترون ولت) می‌باشد که بنا به قاعده گزینش مکانیک کوانتومی مجاز به فروپاشی به حالت پایه نیستند.

برخوردهای کاتوره‌ای بین الکترونهای آزاد و اتمهای جیوه موجب خارج کردن الکترونها از این حالتهای نیمه پایدار به حالت ³P₁ میشود. نتیجتا، در حدود دو سوم انرژی تلف شده در چراغ فلورسنت در خط 253.7 نانومتر است، که از فروپاشی حالت ³P₁ ناشی می‌شود. نور مرئی ساطع شده از نیمه پوشش نشده چراغ تنها در حدود 10 درصد از نور تولید شده در چراغ را ظاهر می‌سازد، لذا روشنایی مربوط به نیمه پوشش شده مربوط به فراوانی نور فرابنفش (UV) تولید شده در چراغ است.

فضاهای تاریک

اگر خیلی دقیق شویم، شکاف واضحی در نور خروجی نزدیک کاتد و نوار تقریبا تاریکی درست سمت راست شکاف می‌بینیم. شکاف تاریک تقریبا به عرض 3.5 تا 4 سانتیمتر و عرض نوار تیره در حدود یک سانتیمتر و عرض نوار تیره در حدود یک سانتیمتر است و برخی ، یک سری نوار روشن و تاریک می‌بینند که بخش عمده‌ای از طول نیمه پوشش نشده چراغ را بطور پیوسته در بر گرفته است. این ناحیه‌های غیر تابان نزدیک کاتد ، گونه‌ای تخلیه الکتریکی است و اولین بار توسط فاراده مطرح شد، ظاهر نمی‌شوند. زیرا فرکانس 60 هرتز جریان متناوب بوسیله فرآیند تناوبی در انتهای چراغ در کاتد (وقتی نورها ظاهر می‌شوند) و در تاریک دیگری تشکیل می‌شود.

سرعت الکترونها در این "فضای تاریک کروکس" برای یونیزه کردن به قدر کافی زیاد است، هر چند ، بسیاری از الکترونهایی تازه آزاد شده به قدر کافی سرعت می‌یابند که نوار روشن ("تابش منفی") را در مجاورت فضای تاریک کروکس موجب شوند. اگر چه ، یونهای مثبت عقب مانده ، میدان الکتریکی را در ناحیه تابان منفی کاهش می‌دهند و الکترونها مجددا کند می‌شوند که در نتیجه "فضای تاریک فاراده" را تولید می‌کنند. پس از آن ، ستونی موسوم به "ستون مثبت" تشکیل می‌شود که (بر حسب میدان الکتریکی و گسیل نور) نسبتا یکنواخت است و این ناحیه‌ای از پلاسماست که تقریبا در تمام مسیر تا آند گسترش یافته است.

چراغ فلورسنت = ابزار پلاسمای ارزان

ابزاری که برای نمایش پدیده پلاسما طراحی می‌شوند غالبا گران ، خطرناک ، پیچیده و محرمانه یا کاری با آن نداریم. ولی نیمه پوشش شده چراغهای فلورسنتی که توصیف شد محفظه‌ای وابسته به خود ، بی نیاز به پمپهای خلأ که بسادگی جابجا می‌شوند و در مقایسه با دیگر ابزار پلاسما با ولتاژ کمتری کار می‌کنند. به علاوه ، اینگونه چراغها غالبا همه جا کار می‌کنند.

آنها همچنین ابزار بصری قابل توجهی هستند. این چراغها را می‌توان همچون نقطه پرشی برای توضیح ساختار و طیف اتمی ، طبیعت و شکل گیری پلاسما ، دانش و تکنولوژی نور مصنوعی و حتی برای حرکت ذره باردار در میدانهای مغناطیسی با قرار دادن یک آهنربای نعلی شکل روی انتهای قسمت تخلیه ، بکار برد. اگر مختصری از طرز کار داخلی این چراغها را بدانیم می‌توانیم با احساس ستایش بهتری به این ابزار نگاه کنیم.

مباحث مرتبط با عنوان

• آرگون
• بارالکتریکی
• پلاسما
• تابش اتمها
• جریان متناوب
• جیوه
• لامپ مهتابی
• میدان الکتریکی
• میدان مغناطیسی
• نور