Descarga incandescente

El tipo más simple de descarga incandescente es una descarga incandescente de corriente continua. En su forma más simple, consiste en dos electrodos en una celda a baja presión (0.1–10 torr; aproximadamente 1/10000 a 1/100 de presión atmosférica). Una presión baja se utiliza para aumentar el camino libre medio; para un campo eléctrico fijo, un camino libre medio más largo permite que una partícula cargada gane más energía antes de chocar con otra partícula. La celda normalmente está llena de neón, pero también se pueden usar otros gases. Se aplica un potencial eléctrico de varios cientos de voltios entre los dos electrodos. Una pequeña fracción de la población de átomos dentro de la célula se ioniza inicialmente a través de procesos aleatorios, como colisiones térmicas entre átomos o por rayos gamma. Los iones positivos son impulsados hacia el cátodo por el potencial eléctrico, y los electrones son impulsados hacia el ánodo por el mismo potencial. La población inicial de iones y electrones choca con otros átomos, excitándolos o ionizándolos. Mientras se mantenga el potencial, permanece una población de iones y electrones.

Emisión secundariaEditar

Parte de la energía cinética de los iones se transfiere al cátodo. Esto sucede parcialmente a través de los iones que golpean directamente el cátodo. El mecanismo principal, sin embargo, es menos directo. Los iones golpean los átomos de gas neutro más numerosos, transfiriendo una parte de su energía a ellos. Estos átomos neutros golpean el cátodo. Cualquiera que sea la especie (iones o átomos) que golpee el cátodo, las colisiones dentro del cátodo redistribuyen esta energía, lo que resulta en electrones expulsados del cátodo. Este proceso se conoce como emisión secundaria de electrones. Una vez libre del cátodo, el campo eléctrico acelera los electrones en la mayor parte de la descarga luminosa. Los átomos pueden ser excitados por colisiones con iones, electrones u otros átomos que hayan sido previamente excitados por colisiones.

Producción de luzeditar

Una vez excitados, los átomos perderán su energía con bastante rapidez. De las diversas formas en que se puede perder esta energía, la más importante es radiativamente, lo que significa que se libera un fotón para llevar la energía. En la espectroscopia atómica óptica, la longitud de onda de este fotón se puede usar para determinar la identidad del átomo (es decir, qué elemento químico es) y el número de fotones es directamente proporcional a la concentración de ese elemento en la muestra. Algunas colisiones (las de energía lo suficientemente alta) causarán ionización. En la espectrometría de masas atómica, se detectan estos iones. Su masa identifica el tipo de átomos y su cantidad revela la cantidad de ese elemento en la muestra.

RegionsEdit

Las ilustraciones de la derecha muestra las principales regiones que pueden estar presentes en un resplandor de descarga. Las regiones descritas como» brillos «emiten luz significativa; las regiones etiquetadas como» espacios oscuros » no lo hacen. A medida que la descarga se extiende más (es decir, se estira horizontalmente en la geometría de las ilustraciones), la columna positiva puede estriarse. Es decir, se pueden formar regiones oscuras y brillantes alternadas. Comprimir la descarga horizontalmente resultará en menos regiones. La columna positiva se comprimirá mientras que el brillo negativo seguirá siendo del mismo tamaño y, con espacios lo suficientemente pequeños, la columna positiva desaparecerá por completo. En una descarga incandescente analítica, la descarga es principalmente un resplandor negativo con una región oscura por encima y por debajo de ella.

Capa de cátodeditar

La capa de cátodo comienza con el espacio oscuro de Aston y termina con la región de brillo negativo. La capa de cátodo se acorta con el aumento de la presión de gas. La capa de cátodo tiene una carga espacial positiva y un campo eléctrico fuerte.

Espacio oscuro de Astoneditar

Los electrones salen del cátodo con una energía de aproximadamente 1 eV, que no es suficiente para ionizar o excitar átomos, dejando una fina capa oscura junto al cátodo.

Brillo del cátodo

Los electrones del cátodo finalmente alcanzan suficiente energía para excitar átomos. Estos átomos excitados caen rápidamente al estado fundamental, emitiendo luz a una longitud de onda correspondiente a la diferencia entre las bandas de energía de los átomos. Este resplandor se ve muy cerca del cátodo.

Espacio oscuro del cátodoeditar

A medida que los electrones del cátodo ganan más energía, tienden a ionizarse, en lugar de excitar átomos. Los átomos excitados caen rápidamente al nivel del suelo emitiendo luz, sin embargo, cuando los átomos se ionizan, las cargas opuestas se separan y no se recombinan inmediatamente. Esto resulta en más iones y electrones, pero sin luz. Esta región a veces se llama espacio oscuro de Crookes, y a veces se conoce como la caída del cátodo, porque la caída de voltaje más grande en el tubo ocurre en esta región.

Brillo negativoeditar

La ionización en el espacio oscuro del cátodo da como resultado una alta densidad de electrones, pero electrones más lentos, lo que facilita que los electrones se recombinen con iones positivos, lo que conduce a una luz intensa, a través de un proceso llamado radiación bremsstrahlung.

Espacio oscuro de Faradayeditar

A medida que los electrones siguen perdiendo energía, se emite menos luz, lo que resulta en otro espacio oscuro.

Capa de ánódeditar

La capa de ánodo comienza con la columna positiva y termina en el ánodo. La capa de ánodo tiene una carga espacial negativa y un campo eléctrico moderado.

Columna positivaeditar

Con menos iones, el campo eléctrico aumenta, dando como resultado electrones con energía de aproximadamente 2 eV, que es suficiente para excitar átomos y producir luz. Con tubos de descarga incandescente más largos, el espacio más largo está ocupado por una columna positiva más larga, mientras que la capa de cátodo permanece igual. Por ejemplo, con un letrero de neón, la columna positiva ocupa casi toda la longitud del tubo.

Brillo del ánodo

Un aumento del campo eléctrico da como resultado el brillo del ánodo.

Espacio oscuro del ánódoeditar

Menos electrones dan lugar a otro espacio oscuro.

Estriacioneseditar

Las bandas de luz y oscuridad alternas en la columna positiva se llaman estriaciones. Las estrías ocurren porque solo cantidades discretas de energía pueden ser absorbidas o liberadas por los átomos, cuando los electrones se mueven de un nivel cuántico a otro. El efecto fue explicado por Franck y Hertz en 1914.

Pulverización catódica

Además de causar emisiones secundarias, los iones positivos pueden golpear el cátodo con la fuerza suficiente para expulsar partículas del material del que está hecho el cátodo. Este proceso se llama pulverización catódica y ablanda gradualmente el cátodo. La pulverización catódica es útil cuando se utiliza la espectroscopia para analizar la composición del cátodo, como se hace en la espectroscopia de emisión óptica de descarga incandescente.

Sin embargo, la pulverización catódica no es deseable cuando se utiliza una descarga incandescente para la iluminación, ya que acorta la vida útil de la lámpara. Por ejemplo, los letreros de neón tienen cátodos huecos diseñados para minimizar la pulverización catódica y contienen carbón para eliminar continuamente iones y átomos no deseados.

Gas portadoreditar

En el contexto de la pulverización catódica, el gas en el tubo se llama «gas portador», porque transporta las partículas del cátodo.

Diferencia de coloreditar

Debido a la pulverización catódica que se produce en el cátodo, los colores emitidos desde las regiones cercanas al cátodo son bastante diferentes del ánodo. Las partículas que se desprenden del cátodo se excitan y emiten radiación de los metales y óxidos que componen el cátodo. La radiación de estas partículas se combina con la radiación del gas portador excitado, dando a la región del cátodo un color blanco o azul, mientras que en el resto del tubo, la radiación es solo del gas portador y tiende a ser más monocromática.

Los electrones cerca del cátodo son menos energéticos que el resto del tubo. Alrededor del cátodo hay un campo negativo, que ralentiza los electrones a medida que son expulsados de la superficie. Solo los electrones con la velocidad más alta son capaces de escapar de este campo, y los que no tienen suficiente energía cinética son arrastrados de vuelta al cátodo. Una vez fuera del campo negativo, la atracción del campo positivo comienza a acelerar estos electrones hacia el ánodo. Durante esta aceleración, los electrones son desviados y ralentizados por iones positivos que se aceleran hacia el cátodo, lo que, a su vez, produce radiación bremsstrahlung azul-blanco brillante en la región de brillo negativo.