气体放电灯

四、气体的激发转移
1、激发转移 a）激发原子和电子间的激发转移 A* + e → A + e b）激发原子和基态原子间的激发转移
A* + B → A + B+ + e 潘宁效应 A*是亚稳态 条件：Vi 条件：Vi（B）≤ Vex（A）， A*是亚稳态
Ar-Hg： Ar-Hg： Ar*（3P2）11.5eV + Hg → Hg+ （10.4eV）+ e + Ar Ne-Ar： Ne-Ar： Ne*（3P2）16.53eV + Ar → Ar+（15.76eV）+ e + Ne
b）分解复合 e + （AB）+ → AB）
A +
B
(A* → hv1 ,B* → hv 2 )
（电子动能变为分子的离介能）
e + （AB）+ → A* + B* AB） c）三体复合
A+ + B +
（是电子复合的主要过程，特别在高气压放电条件下容易发生。）
e
= A* +
B
(A* → hv)
2、正离子——负离子的复合 、正离子——负离子的复合 x+ + y- → xy + hv （复合辐射） x+ + y - → x + y （电荷交换） x+ + y- + z → xy + z （三体复合） （气体放电器件中不希望有负离子的存在，此过程对发光 贡献小！负离子的存在使放电困难。）
例1：eVi(Cs) = 3.87eV
∴ λ≤ 320 nm
紫外照射产生带电粒子 例2：宇宙射线 α 射线是（1/20～1/10）c的高速正粒子 1/20～1/10） β射线是具有2c/3 速度的高速电子 γ射线是λ=10-1～10-5 nm高速光子（Kr85）
X射线：λ = 101nm(0.1nm相当于12.4kev) 的高速光子
其他非弹性碰撞 位能） （位能 位能）
A* + B (激发转移) (激发转移) A+ + B （电荷转移）
2、碰撞的能量转移
实际碰撞过程很复杂，现以对心碰撞为例：
m 1V1=m1U1 +m2U2 动量守恒） （动量守恒） m1V12/2=m1U12/2+ m2U22/2+Q (能量守恒 能量守恒) 能量守恒
b) 非弹性碰撞Q≠0 非弹性碰撞Q
由m2（1+m2/m1）U22 /2— m2V1U2 +Q =0 /2— 解得： m1 + m 2 1 2
U2 = Q 2V1 ± 4V1 8 m1 + m 2 m1m 2 2 m1
2 1
由于括号内的值≥ 由于括号内的值≥0，得：
m1 + m 2 4V 8 Q≥ m1m 2
m 1V1 -m 2 U 2 把U1= m1
代入第2 代入第2式得： m2（1+m2/m1）U22/2 — m2V1U2 +Q =0
a）弹性碰撞：Q=0 弹性碰撞：
此时：U 此时：U2=2V1m1/(m1+m2) 故入射粒子能量损失的百分比 δ （即被碰撞粒子得到的动能）： 2 δ = ε 2 / ε1 =4 m1m2 /(m1 + m2 ) 对心碰撞时δ 为最大值， 非对心碰撞时 δ 的最小值为0 的最小值为0 m1m 2 /(m1 + m 2 ) 2 故 δ =2 （第二粒子得到的能量是第一粒子的一部分）
A* + e (电子激发 电子激发) 电子激发 A* + B+ （离子激发） 离子激发） A* + B （中性粒子激发） 中性粒子激发） A+ + e + e（电子电离） （电子电离） A* * + e （逐次激发） 逐次激发） A++ + e （逐次电离） 逐次电离）
2) 第二类非弹性碰撞
粒子的位能 ［例］ A* + e A* + B A+ + e +e A + 去激发或消激发） e （去激发或消激发）
Hg + hv（253.7）→ Hg*（63P1） 253.7） Hg*（63P1）+ B → Hg + B* B* → B + hv（≠253.7）称辐射的猝灭 253.7）
例：荧光敏化 （253.7的辐射常用荧光粉接收 后的荧光来观察）
hv（253.7）+ Hg → Hg*（63P1） 253.7） Hg*（63P1）→ Hg*（63P0） 此能级分别为4.8eV和4.7eV，当Hg*（63P1）态 4.7eV， 存在时，必有Hg（63P0）态存在，称碰撞耦合。 Hg（ Hg*（63Po）+ Tl → Hg（61s0）+ Tl*（72S1/2） Hg（ Tl*（72S1/2）→ Tl + hv（535） 535）
4、热激发和热电离
高温粒子之间通过碰撞使动能转换为位能 例：火焰上加盐燃烧时发光黄绿色（激发），且 具有导电性（电离）。 a）由玻尔兹曼方程描述激发态粒子数 nex = n0exp（-Eex/kT） b）由萨哈方程描述电离态粒子数 Pa2/1-a2 = 1.33T5/2exp（-eVi/kT） /1a= ni/n = ne/n称电离度，P为气体的压力 /n称电离度，P
讨论： 讨论：
（1） 若入射粒子为电子，第二粒子为中性粒子 则 m1 / m 2 1 故 δ =2 m1 / m 2 1 （2） 若入射粒子与第二粒子都是重粒子，即 m1 ≈ m 2 故 δ =1/2 说明：原则上有 δ =2 m1/m 2 ，所以电子与原子发 生碰撞时损失的能量很小， δ ≈ 10-4 10 6 量级，但电子运动的曲折碰撞使碰撞次数很多， 例1ev动能的电子在1torr的气体中每秒可与全体 1ev动能的电子在1torr的气体中每秒可与全体 原子碰10 原子碰109次，故总的影响也不可忽略。
三、气体的激发和电离
1、电子与中性原子的碰撞致激发和电离
+ A → A* + e e + A → A+ + e + e 具体由激发函数和电离函数（与碰撞截面有 关）描述。
e
2、重粒子与原子碰撞致激发和电离
B + A → A* + B + A → A+ + B + e B
+ A → A* + B+ B+ + A → A+ + B+ + e 此类碰撞由相互作用时间较长和能量转 移关系可知为非主要过程。
hv1 + A → A* A* + B → A + B * B* → hv2 + B
例：Hg + hv(253.7) → Hg*(63P1)
Hg*(63P1) → Hg + hv(253.7)
多次转移最后辐射出253.7的波长，称辐射的禁 多次转移最后辐射出253.7的波长，称辐射的禁 锢效应。有杂质时：
第四章 气体放电灯的基本原理
4-1 气体放电的基本过程
§4.1 气体放电中粒子间的相互作用
一、电离气体和气体放电的定义 含有电子、离子和中性原子（分子） 的气体称电离气体。电离气体在外场的 作用体按电离程度的分类： 电离气体按电离程度的分类：
弱电离气体：很少的原子或分子被电离（10 弱电离气体：很少的原子或分子被电离（10-4） 部分电离气体：部分原子或分子被电离 （10-2--10-3） --10 完全电离气体：几乎所有的原子或分子被电离 弱电离气体是本课的研究对象。其中主要 由中性粒子组成。但任何一种放电都包含着大 量的粒子和它们间的相互作用。
e+xy → x + + y + e
分子碰撞后产生离子对 e)
A+B → A + + B
重离子间的电荷转移
*气体放电的细微平衡原理
Klein和Rosseland根据热力学平衡原理，得 Klein和Rosseland根据热力学平衡原理，得 到：热力学平衡体系中，某种过程发生的 次数等于其反过程发生的次数！ 激发 消激发 电离 消电离
B+
3、光致激发和光致电离
hv + A → A* hv + A → A+ + e hv + A* → A** hv + A* → A+ +e hv + A+ → A++ + e
光致激发和光致电离条件：
hv ≥ eVex => λ≤ hc/eVx hv ≥ eVi => λ≤ hc/eVi ∴ λ≤ 1.24×103/eVex（eVi）（nm） 1.24× ）（nm）
五、带电粒子的复合
1、电子-正离子的复合 、电子a）辐射复合
e + A+ → A + hv（慢电子被正离子俘获的过程） e + A+ → A* + hv1 （A* → A + hv2）
e + A+ → A + hv（慢电子被正离子俘获的过程） hv（慢电子被正离子俘获的过程） e + A+ → A* + hv1 （A* → A + hv2） meve2/2 + eVi = eVex + hv e（Vi–Vex）（基态下Vex=0） ∴ hv = meve2/2 + e（Vi–Vex）（基态下Vex=0） ∵ Ve = 0～∞ 0～ 连续光谱辐射 连续光谱特性： hvmin（Ve = 0）= e（Vi–Vex） 0） e（Vi–Vex） 波长上限： hc/e（Vi–Vex） λmax = hc/e（Vi–Vex） 长波限强（Ve = 0的电子容易捕获）