Scarica a incandescenza

Il tipo più semplice di scarica a incandescenza è una scarica a incandescenza a corrente continua. Nella sua forma più semplice, consiste di due elettrodi in una cella tenuta a bassa pressione (0,1-10 torr; circa 1/10000th a 1/100th di pressione atmosferica). Una bassa pressione viene utilizzata per aumentare il percorso libero medio; per un campo elettrico fisso, un percorso libero medio più lungo consente a una particella carica di guadagnare più energia prima di scontrarsi con un’altra particella. La cella è tipicamente riempita di neon, ma possono essere utilizzati anche altri gas. Un potenziale elettrico di diverse centinaia di volt viene applicato tra i due elettrodi. Una piccola frazione della popolazione di atomi all’interno della cellula viene inizialmente ionizzata attraverso processi casuali, come collisioni termiche tra atomi o raggi gamma. Gli ioni positivi sono guidati verso il catodo dal potenziale elettrico e gli elettroni sono guidati verso l’anodo dallo stesso potenziale. La popolazione iniziale di ioni ed elettroni si scontra con altri atomi, eccitandoli o ionizzandoli. Finché il potenziale viene mantenuto, rimane una popolazione di ioni ed elettroni.

Emissione secondariamodifica

Parte dell’energia cinetica degli ioni viene trasferita al catodo. Ciò avviene parzialmente attraverso gli ioni che colpiscono direttamente il catodo. Il meccanismo primario, tuttavia, è meno diretto. Gli ioni colpiscono i più numerosi atomi di gas neutro, trasferendo loro una parte della loro energia. Questi atomi neutri poi colpiscono il catodo. Qualunque specie (ioni o atomi) colpiscano il catodo, le collisioni all’interno del catodo ridistribuiscono questa energia causando elettroni espulsi dal catodo. Questo processo è noto come emissione secondaria di elettroni. Una volta libero dal catodo, il campo elettrico accelera gli elettroni nella maggior parte della scarica di bagliore. Gli atomi possono quindi essere eccitati da collisioni con ioni, elettroni o altri atomi che sono stati precedentemente eccitati da collisioni.

Light productionEdit

Una volta eccitato, gli atomi perderanno la loro energia abbastanza rapidamente. Tra i vari modi in cui questa energia può essere persa, il più importante è radiativamente, il che significa che un fotone viene rilasciato per portare via l’energia. Nella spettroscopia atomica ottica, la lunghezza d’onda di questo fotone può essere utilizzata per determinare l’identità dell’atomo (cioè, quale elemento chimico è) e il numero di fotoni è direttamente proporzionale alla concentrazione di quell’elemento nel campione. Alcune collisioni (quelle di energia abbastanza alta) causeranno ionizzazione. Nella spettrometria di massa atomica, questi ioni vengono rilevati. La loro massa identifica il tipo di atomi e la loro quantità rivela la quantità di quell’elemento nel campione.

RegionsEdit

Le illustrazioni a destra mostrano le principali regioni che possono essere presenti in una scarica a incandescenza. Le regioni descritte come “bagliori” emettono luce significativa; le regioni etichettate come “spazi scuri” no. Man mano che la scarica diventa più estesa (cioè allungata orizzontalmente nella geometria delle illustrazioni), la colonna positiva può diventare striata. Cioè, si possono formare regioni scure e luminose alternate. La compressione orizzontale dello scarico comporterà un minor numero di regioni. La colonna positiva verrà compressa mentre il bagliore negativo rimarrà della stessa dimensione e, con spazi abbastanza piccoli, la colonna positiva scomparirà del tutto. In una scarica a incandescenza analitica, la scarica è principalmente un bagliore negativo con regione scura sopra e sotto di essa.

Strato catodicomodifica

Lo strato catodico inizia con lo spazio scuro Aston e termina con la regione di bagliore negativo. Lo strato catodico si accorcia con l’aumento della pressione del gas. Lo strato catodico ha una carica spaziale positiva e un forte campo elettrico.

Aston dark spaceEdit

Gli elettroni lasciano il catodo con un’energia di circa 1 eV, che non è sufficiente per ionizzare o eccitare gli atomi, lasciando un sottile strato scuro accanto al catodo.

Catodo glowEdit

Elettroni dal catodo alla fine raggiungono abbastanza energia per eccitare gli atomi. Questi atomi eccitati ricadono rapidamente allo stato fondamentale, emettendo luce ad una lunghezza d’onda corrispondente alla differenza tra le bande di energia degli atomi. Questo bagliore è visto molto vicino al catodo.

Catodo dark spaceEdit

Poiché gli elettroni del catodo guadagnano più energia, tendono a ionizzare, piuttosto che eccitare gli atomi. Gli atomi eccitati ricadono rapidamente al livello del suolo emettendo luce, tuttavia, quando gli atomi sono ionizzati, le cariche opposte sono separate e non si ricombinano immediatamente. Ciò si traduce in più ioni ed elettroni, ma nessuna luce. Questa regione è talvolta chiamato Crookes spazio scuro, e talvolta indicato come la caduta catodo, perché la più grande caduta di tensione nel tubo si verifica in questa regione.

Negativo glowEdit

La ionizzazione nello spazio scuro catodo si traduce in una elevata densità di elettroni, ma elettroni più lenti, rendendo più facile per gli elettroni di ricombinare con ioni positivi, portando a luce intensa, attraverso un processo chiamato radiazione bremsstrahlung.

Faraday dark spaceEdit

Mentre gli elettroni continuano a perdere energia, viene emessa meno luce, risultando in un altro spazio buio.

Anodo layerEdit

Lo strato anodo inizia con la colonna positiva e termina all’anodo. Lo strato di anodo ha una carica spaziale negativa e un campo elettrico moderato.

Colonna positivamodifica

Con meno ioni, il campo elettrico aumenta, con conseguente elettroni con energia di circa 2 eV, che è sufficiente per eccitare gli atomi e produrre luce. Con tubi di scarico a incandescenza più lunghi, lo spazio più lungo è occupato da una colonna positiva più lunga, mentre lo strato catodico rimane lo stesso. Ad esempio, con un’insegna al neon, la colonna positiva occupa quasi l’intera lunghezza del tubo.

Anodo glowEdit

Un aumento del campo elettrico provoca il bagliore dell’anodo.

Anodo dark spaceEdit

Un minor numero di elettroni si traduce in un altro spazio buio.

striationimodifica

Le bande di luce alternata e scura nella colonna positiva sono chiamate striature. Le striature si verificano perché solo quantità discrete di energia possono essere assorbite o rilasciate dagli atomi, quando gli elettroni si spostano da un livello quantico all’altro. L’effetto fu spiegato da Franck e Hertz nel 1914.

SputteringEdit

Oltre a causare emissioni secondarie, gli ioni positivi possono colpire il catodo con forza sufficiente per espellere particelle del materiale da cui è fatto il catodo. Questo processo è chiamato sputtering e gradualmente ablates il catodo. Lo sputtering è utile quando si utilizza la spettroscopia per analizzare la composizione del catodo, come avviene nella spettroscopia di emissione ottica a scarica di bagliore.

Tuttavia, lo sputtering non è desiderabile quando si utilizza la scarica a incandescenza per l’illuminazione, perché riduce la durata della lampada. Ad esempio, le insegne al neon hanno catodi cavi progettati per ridurre al minimo lo sputtering e contengono carbone per rimuovere continuamente ioni e atomi indesiderati.

Gas portante

Nel contesto dello sputtering, il gas nel tubo è chiamato “gas portante”, perché trasporta le particelle dal catodo.

Color differenceEdit

A causa dello sputtering che si verifica al catodo, i colori emessi dalle regioni vicino al catodo sono molto diversi dall’anodo. Le particelle polverizzate dal catodo sono eccitate ed emettono radiazioni dai metalli e dagli ossidi che compongono il catodo. La radiazione di queste particelle si combina con la radiazione del gas vettore eccitato, dando alla regione del catodo un colore bianco o blu, mentre nel resto del tubo, la radiazione proviene solo dal gas vettore e tende ad essere più monocromatica.

Gli elettroni vicino al catodo sono meno energetici del resto del tubo. Intorno al catodo c’è un campo negativo, che rallenta gli elettroni mentre vengono espulsi dalla superficie. Solo gli elettroni con la più alta velocità sono in grado di sfuggire a questo campo, e quelli senza abbastanza energia cinetica vengono tirati indietro nel catodo. Una volta fuori dal campo negativo, l’attrazione dal campo positivo inizia ad accelerare questi elettroni verso l’anodo. Durante questa accelerazione gli elettroni vengono deviati e rallentati dagli ioni positivi che accelerano verso il catodo, il che, a sua volta, produce una brillante radiazione bremsstrahlung blu-bianca nella regione di bagliore negativo.