najprostszym rodzajem wyładowania jarzeniowego jest wyładowanie jarzeniowe prądem stałym. W najprostszej postaci składa się z dwóch elektrod w komórce utrzymywanej pod niskim ciśnieniem (0,1-10 torr; około 1/10000 do 1/100 ciśnienia atmosferycznego). Niskie ciśnienie jest używane do zwiększenia średniej wolnej ścieżki; dla stałego pola elektrycznego dłuższa średnia wolna ścieżka pozwala naładowanej cząstce uzyskać więcej energii przed zderzeniem z inną cząstką. Komórka jest zazwyczaj wypełniona neonem, ale można również użyć innych gazów. Pomiędzy obiema elektrodami przykładany jest potencjał elektryczny rzędu kilkuset woltów. Niewielka część populacji atomów w komórce jest początkowo zjonizowana w procesach losowych, takich jak zderzenia termiczne między atomami lub promienie gamma. Jony dodatnie są napędzane w kierunku katody przez potencjał elektryczny, a elektrony są napędzane w kierunku anody przez ten sam potencjał. Początkowa populacja jonów i elektronów zderza się z innymi atomami, wzbudzając je lub jonizując. Tak długo, jak potencjał jest utrzymywany, populacja jonów i elektronów pozostaje.
emisja wtórna
część energii kinetycznej jonów jest przenoszona na katodę. Dzieje się to częściowo przez jony uderzające bezpośrednio w katodę. Podstawowy mechanizm jest jednak mniej bezpośredni. Jony uderzają w liczniejsze obojętne Atomy gazu, przenosząc na nie część swojej energii. Te neutralne Atomy uderzają następnie w katodę. Niezależnie od tego, jakie gatunki (jony lub Atomy) uderzają w katodę, zderzenia wewnątrz katody redystrybuują tę energię, powodując wyrzucenie elektronów z katody. Proces ten znany jest jako wtórna emisja elektronów. Po uwolnieniu się od katody, pole elektryczne przyspiesza elektrony do większości wyładowań jarzeniowych. Atomy mogą być wzbudzane przez zderzenia z jonami, elektronami lub innymi atomami, które zostały wcześniej wzbudzone przez zderzenia.
produkcja Światłaedytuj
po wzbudzeniu Atomy dość szybko tracą energię. Z różnych sposobów, w jakie ta energia może zostać utracona, najważniejsze jest promieniowanie, co oznacza, że foton jest uwalniany w celu przeniesienia energii. W optycznej spektroskopii atomowej długość fali tego fotonu może być wykorzystana do określenia tożsamości atomu (czyli tego, który to jest pierwiastek chemiczny), a liczba fotonów jest wprost proporcjonalna do stężenia tego pierwiastka w próbce. Niektóre kolizje (te o wystarczająco dużej energii) spowodują jonizację. W atomowej spektrometrii mas jony te są wykrywane. Ich masa określa rodzaj atomów, a ich ilość ujawnia ilość tego pierwiastka w próbce.
Regionyedit
ilustracje po prawej stronie pokazują główne obszary, które mogą być obecne w wyładowaniu jarzeniowym. Regiony opisane jako „świecące” emitują znaczące światło; regiony oznaczone jako „ciemne przestrzenie” nie. W miarę jak wyładowanie staje się bardziej rozszerzone (tj. rozciągnięte poziomo w geometrii ilustracji), dodatnia kolumna może zostać prążkowana. Oznacza to, że mogą tworzyć się naprzemienne ciemne i jasne obszary. Poziome kompresowanie zrzutu spowoduje zmniejszenie liczby regionów. Kolumna dodatnia zostanie skompresowana, podczas gdy negatywna poświata pozostanie tej samej wielkości, a przy wystarczająco małych przerwach kolumna dodatnia całkowicie zniknie. W analitycznym wyładowaniu jarzeniowym wyładowanie to przede wszystkim ujemna poświata z ciemnym obszarem powyżej i poniżej.
warstwa katody
warstwa katody zaczyna się od ciemnej przestrzeni, a kończy na ujemnym obszarze świecenia. Warstwa katody skraca się wraz ze zwiększonym ciśnieniem gazu. Warstwa katodowa ma dodatni ładunek przestrzenny i silne pole elektryczne.
Aston ciemny kosmos
elektrony opuszczają katodę z energią około 1 eV, co nie wystarcza do jonizacji lub wzbudzenia atomów, pozostawiając cienką ciemną warstwę obok katody.
glowEdit
elektrony z katody ostatecznie osiągają wystarczającą energię, aby wzbudzić Atomy. Te wzbudzone Atomy szybko wracają do stanu podstawowego, emitując światło o długości fali odpowiadającej różnicy między pasmami energii atomów. Ten blask jest widoczny bardzo blisko katody.
katoda ciemna przestrzeń
ponieważ elektrony z katody zyskują więcej energii, mają tendencję do jonizacji, a nie wzbudzania atomów. Wzbudzone Atomy szybko wracają do poziomu ziemi emitując światło, jednak gdy atomy są zjonizowane, przeciwne ładunki są oddzielane i nie od razu rekombinują. Powoduje to więcej jonów i elektronów, ale nie ma światła. Region ten jest czasami nazywany ciemną przestrzenią, a czasami określany jako upadek katody, ponieważ największy spadek napięcia w rurze występuje w tym regionie.
ujemny blaskedytuj
jonizacja w ciemnej przestrzeni katody powoduje wysoką gęstość elektronów, ale wolniejsze elektrony, co ułatwia elektronom rekombinację z dodatnimi jonami, prowadząc do intensywnego światła, poprzez proces zwany promieniowaniem bremsstrahlunga.
Faraday dark spaceEdit
ponieważ elektrony tracą energię, emituje się mniej światła, co powoduje powstanie kolejnej ciemnej przestrzeni.
warstwa anodowa
warstwa anodowa zaczyna się od Kolumny dodatniej, a kończy na anodzie. Warstwa anodowa ma ujemny ładunek przestrzenny i umiarkowane pole elektryczne.
Kolumna Dodatniaedytuj
przy mniejszej liczbie jonów wzrasta pole elektryczne, w wyniku czego elektrony mają energię około 2 eV, co wystarcza do wzbudzenia atomów i wytworzenia światła. W przypadku dłuższych lamp wyładowczych, dłuższa przestrzeń jest zajmowana przez dłuższą kolumnę dodatnią, podczas gdy warstwa katody pozostaje taka sama. Na przykład przy neonie kolumna dodatnia zajmuje prawie całą długość rury.
świecenie anody
wzrost pola elektrycznego powoduje świecenie anody.
anoda ciemna przestrzeń
mniej elektronów powoduje powstanie innej ciemnej przestrzeni.
prążki
pasma naprzemiennie jasnego i ciemnego w kolumnie dodatniej nazywane są prążkami. Prążki występują, ponieważ tylko dyskretne ilości energii mogą być absorbowane lub uwalniane przez atomy, gdy elektrony poruszają się z jednego poziomu kwantowego na drugi. Efekt został wyjaśniony przez Francka i Hertza w 1914 roku.
Rozpylanieedytuj
oprócz powodowania emisji wtórnej, jony dodatnie mogą uderzyć w katodę z wystarczającą siłą, aby wyrzucić cząstki materiału, z którego wykonana jest katoda. Proces ten nazywa się rozpylania i stopniowo abluje katodę. Rozpylanie jest przydatne przy użyciu spektroskopii do analizy składu katody, jak to ma miejsce w optycznej spektroskopii emisyjnej z wyładowaniem jarzeniowym.
jednak rozpylanie nie jest pożądane, gdy do oświetlenia stosuje się wyładowanie jarzeniowe, ponieważ skraca żywotność lampy. Na przykład, neony mają puste katody zaprojektowane w celu zminimalizowania rozpylania i zawierają węgiel drzewny do ciągłego usuwania niepożądanych jonów i atomów.
gaz Nośnyedit
w kontekście rozpylania gaz w rurze nazywany jest „gazem nośnym”, ponieważ przenosi cząstki z katody.
różnica Kolorówedytuj
ze względu na rozpylanie występujące na katodzie, kolory emitowane z obszarów w pobliżu katody są zupełnie inne od anody. Cząstki rozpylane z katody są wzbudzane i emitują promieniowanie z metali i tlenków tworzących katodę. Promieniowanie tych cząstek łączy się z promieniowaniem wzbudzonego gazu nośnego, nadając regionowi katody biały lub niebieski kolor, podczas gdy w pozostałej części rury promieniowanie pochodzi tylko z gazu nośnego i ma tendencję do bardziej monochromatycznego.
elektrony w pobliżu katody są mniej energiczne niż reszta rury. Wokół katody znajduje się pole ujemne, które spowalnia elektrony wyrzucane z powierzchni. Tylko te elektrony o największej prędkości są w stanie uciec z tego pola, a te bez wystarczającej energii kinetycznej są wciągane z powrotem do katody. Po wyjściu z pola ujemnego przyciąganie z pola dodatniego zaczyna przyspieszać te elektrony w kierunku anody. Podczas tego przyspieszenia elektrony są odchylane i spowalniane przez jony dodatnie pędzące w kierunku katody, które z kolei wytwarzają jasne niebiesko-białe promieniowanie bremsstrahlunga w ujemnym obszarze świecenia.