Décharge luminescente

Le type de décharge luminescente le plus simple est une décharge luminescente à courant continu. Dans sa forme la plus simple, il est constitué de deux électrodes dans une cellule maintenue à basse pression (0,1–10 torr; environ 1 / 10000e à 1 / 100e de la pression atmosphérique). Une pression basse est utilisée pour augmenter le chemin libre moyen; pour un champ électrique fixe, un chemin libre moyen plus long permet à une particule chargée de gagner plus d’énergie avant d’entrer en collision avec une autre particule. La cellule est généralement remplie de néon, mais d’autres gaz peuvent également être utilisés. Un potentiel électrique de plusieurs centaines de volts est appliqué entre les deux électrodes. Une petite fraction de la population d’atomes dans la cellule est initialement ionisée par des processus aléatoires, tels que des collisions thermiques entre atomes ou par des rayons gamma. Les ions positifs sont entraînés vers la cathode par le potentiel électrique, et les électrons sont entraînés vers l’anode par le même potentiel. La population initiale d’ions et d’électrons entre en collision avec d’autres atomes, les excitant ou les ionisant. Tant que le potentiel est maintenu, une population d’ions et d’électrons reste.

Emission secondairedit

Une partie de l’énergie cinétique des ions est transférée à la cathode. Cela se produit partiellement à travers les ions frappant directement la cathode. Le mécanisme principal, cependant, est moins direct. Les ions frappent les atomes de gaz neutres les plus nombreux, leur transférant une partie de leur énergie. Ces atomes neutres frappent alors la cathode. Quelle que soit l’espèce (ions ou atomes) qui frappe la cathode, les collisions à l’intérieur de la cathode redistribuent cette énergie, entraînant l’éjection d’électrons de la cathode. Ce processus est connu sous le nom d’émission d’électrons secondaires. Une fois libéré de la cathode, le champ électrique accélère les électrons dans la majeure partie de la décharge luminescente. Les atomes peuvent alors être excités par des collisions avec des ions, des électrons ou d’autres atomes qui ont déjà été excités par des collisions.

Production de lumièredit

Une fois excités, les atomes perdront leur énergie assez rapidement. Parmi les différentes façons dont cette énergie peut être perdue, la plus importante est radiative, ce qui signifie qu’un photon est libéré pour emporter l’énergie. En spectroscopie atomique optique, la longueur d’onde de ce photon peut être utilisée pour déterminer l’identité de l’atome (c’est-à-dire de quel élément chimique il s’agit) et le nombre de photons est directement proportionnel à la concentration de cet élément dans l’échantillon. Certaines collisions (celles d’énergie suffisante) provoqueront une ionisation. En spectrométrie de masse atomique, ces ions sont détectés. Leur masse identifie le type d’atomes et leur quantité révèle la quantité de cet élément dans l’échantillon.

RegionsEdit

Les illustrations de droite montrent les principales régions pouvant être présentes dans une décharge luminescente. Les régions décrites comme des « lueurs » émettent une lumière importante; les régions étiquetées comme des « espaces sombres » ne le font pas. Au fur et à mesure que la décharge devient plus étendue (c’est-à-dire étirée horizontalement dans la géométrie des illustrations), la colonne positive peut devenir striée. C’est-à-dire qu’une alternance de régions sombres et lumineuses peut se former. La compression horizontale de la décharge se traduira par moins de régions. La colonne positive sera compressée tandis que la lueur négative restera de la même taille et, avec des espaces suffisamment petits, la colonne positive disparaîtra complètement. Dans une décharge luminescente analytique, la décharge est principalement une lueur négative avec une région sombre au-dessus et en dessous.

Couche de cathode

La couche de cathode commence par l’espace sombre Aston et se termine par la région de lueur négative. La couche de cathode se raccourcit avec une pression de gaz accrue. La couche de cathode a une charge d’espace positive et un fort champ électrique.

Aston dark spaceEdit

Les électrons quittent la cathode avec une énergie d’environ 1 eV, ce qui n’est pas suffisant pour ioniser ou exciter les atomes, laissant une fine couche sombre à côté de la cathode.

Lueur de cathode

Les électrons de la cathode finissent par atteindre suffisamment d’énergie pour exciter les atomes. Ces atomes excités retombent rapidement à l’état fondamental, émettant de la lumière à une longueur d’onde correspondant à la différence entre les bandes d’énergie des atomes. Cette lueur se voit très près de la cathode.

Espace sombre de la cathode

Comme les électrons de la cathode gagnent plus d’énergie, ils ont tendance à s’ioniser plutôt qu’à exciter les atomes. Les atomes excités retombent rapidement au niveau du sol en émettant de la lumière, cependant, lorsque les atomes sont ionisés, les charges opposées sont séparées et ne se recombinent pas immédiatement. Il en résulte plus d’ions et d’électrons, mais pas de lumière. Cette région est parfois appelée espace sombre de Crookes, et parfois appelée chute de cathode, car la plus grande chute de tension dans le tube se produit dans cette région.

Lueur négativedit

L’ionisation dans l’espace sombre de la cathode entraîne une densité électronique élevée, mais des électrons plus lents, ce qui facilite la recombinaison des électrons avec des ions positifs, conduisant à une lumière intense, par un processus appelé rayonnement de bremsstrahlung.

Faraday dark spaceEdit

Au fur et à mesure que les électrons perdent de l’énergie, moins de lumière est émise, ce qui entraîne un autre espace sombre.

Couche d’anodedit

La couche d’anode commence par la colonne positive et se termine à l’anode. La couche d’anode a une charge d’espace négative et un champ électrique modéré.

Colonne positivedit

Avec moins d’ions, le champ électrique augmente, ce qui donne des électrons d’une énergie d’environ 2 eV, ce qui est suffisant pour exciter les atomes et produire de la lumière. Avec des tubes à décharge luminescente plus longs, l’espace plus long est occupé par une colonne positive plus longue, tandis que la couche de cathode reste la même. Par exemple, avec une enseigne au néon, la colonne positive occupe presque toute la longueur du tube.

Lueur d’anode

Une augmentation du champ électrique entraîne la lueur d’anode.

Espace sombre de l’anode

Moins d’électrons se traduit par un autre espace sombre.

Stries

Les bandes alternées de lumière et d’obscurité dans la colonne positive sont appelées stries. Les stries se produisent parce que seules des quantités discrètes d’énergie peuvent être absorbées ou libérées par les atomes, lorsque les électrons passent d’un niveau quantique à un autre. L’effet a été expliqué par Franck et Hertz en 1914.

Pulvérisation cathodique

En plus de provoquer une émission secondaire, des ions positifs peuvent frapper la cathode avec une force suffisante pour éjecter des particules du matériau à partir duquel la cathode est fabriquée. Ce processus est appelé pulvérisation cathodique et il ablate progressivement la cathode. La pulvérisation cathodique est utile lors de l’utilisation de la spectroscopie pour analyser la composition de la cathode, comme cela se fait en spectroscopie d’émission optique à décharge luminescente.

Cependant, la pulvérisation cathodique n’est pas souhaitable lorsque la décharge luminescente est utilisée pour l’éclairage, car elle raccourcit la durée de vie de la lampe. Par exemple, les enseignes au néon ont des cathodes creuses conçues pour minimiser la pulvérisation cathodique et contiennent du charbon de bois pour éliminer en permanence les ions et les atomes indésirables.

Gaz véhiculeurdit

Dans le cadre de la pulvérisation cathodique, le gaz contenu dans le tube est appelé « gaz porteur », car il transporte les particules de la cathode.

Différence de couleurmodifier

En raison de la pulvérisation cathodique qui se produit au niveau de la cathode, les couleurs émises par les régions proches de la cathode sont très différentes de l’anode. Les particules pulvérisées par la cathode sont excitées et émettent un rayonnement des métaux et des oxydes qui composent la cathode. Le rayonnement de ces particules se combine avec le rayonnement du gaz porteur excité, donnant à la région de la cathode une couleur blanche ou bleue, tandis que dans le reste du tube, le rayonnement provient uniquement du gaz porteur et tend à être plus monochromatique.

Les électrons près de la cathode sont moins énergétiques que le reste du tube. Autour de la cathode se trouve un champ négatif, qui ralentit les électrons lorsqu’ils sont éjectés de la surface. Seuls les électrons avec la vitesse la plus élevée peuvent échapper à ce champ, et ceux qui n’ont pas assez d’énergie cinétique sont ramenés dans la cathode. Une fois en dehors du champ négatif, l’attraction du champ positif commence à accélérer ces électrons vers l’anode. Au cours de cette accélération, les électrons sont déviés et ralentis par des ions positifs accélérant vers la cathode, qui, à son tour, produit un rayonnement de bremsstrahlung bleu-blanc brillant dans la région de lueur négative.