離子與電漿(Ion and plasma)的產生與應用

作者:Hightech   |   2019 / 04 / 30

文章來源:知識力   |   圖片來源:Koko


離子(Ion)

原子的中心是原子核(帶正電),原子核外圍繞著許多電子(帶負電),當我們對原子施加能量(光能或電能),則可以將原子核外的一個電子趕走,如<圖一(a)>所示,換句話說,原子核外的某一個電子吸收能量,而離開了原來的位置跑掉,產生一個帶正電的「離子(Ion)」與跑掉的那一個帶負電的「電子(Electron)」。

圖一、離子與電漿

我們以氬氣為例說明氣體發光的原理:氬原子的原子核帶電量 +18,原子核外有 18 個電子(帶電量 -18)繞著原子核運作,當我們對氬原子施加能量(光能或電能)的時候,氬原子的一顆電子會吸收能量而跳出來,如<圖一(a)>所示,此時氬原子的原子核帶電量 +18,但是只剩下 17 個電子(帶電量 -17),正負互相抵消後仍然帶正電(+1),這個帶正電的東西稱為「氬離子(Argon ion)」。

反過來說,如果某一個氬離子(帶電量 +1)恰好遇到了另外一個電子(帶電量 -1),不論這個電子是原來他自己的(自己在形成氬離子的時候跳出來的)或是別人的(別的氬原子在形成氬離子的時候跳出來的),受到「異性相吸」的現象影響,氬離子與電子會重新結合變回氬原子,同時放出能量,如<圖一(b)>所示。

既然氬原子形成氬離子與電子時要吸收能量(光能或電能),則當氬離子與電子重新結合成氬原子時,就應該放出能量(光能或熱能),而且當時分開吸收多少能量,現在結合就放出多少能量,這個現象稱為「能量守恆定律(Energy conservation)」。有趣的是,在科技產品中吸收的能量可以是「光能或電能」,但是放出的能量一般都是「光能或熱能」,這就是許多科技產品會發光(例如:發光二極體),要不然就會發熱(例如:個人電腦的處理器)的原因。

電漿(Plasma)

當一團氣體原子(好多好多個原子)同時被解離成一團氣體離子與電子(好多好多個離子與電子)的時候,這一團氣體離子與電子就稱為「電漿(Plasma)」。以氬氣為例,當我們對一團氬原子施加能量(光能或電能),則可以使許多氬原子變成氬離子與電子,這一團氬離子與電子就稱為「氬電漿(Argon plasma)」。

一般人對電漿這個名詞可能覺得很陌生,但是卻天天都看到,家庭中使用的日光燈、廣告用的霓虹燈、下雨天發生閃電打雷與南北極的極光等,都是因為電漿而產生的發光現象。

以日光燈為例,將一支細長的玻璃管抽成真空,再灌入少量「惰性氣體(例如:氬氣)」與「汞蒸氣」,在玻璃管的兩端安裝兩個金屬電極,如<圖二(a)>所示,金屬電極會將電能不停地送入玻璃管中,玻璃管中的氣體「吸收電能」而產生氣體離子與電子(電漿),當氣體離子與電子結合時則會放出「光能與熱能」,因此可以提供我們照明,只要電能源源不斷地輸入,光能就會不停地輸出,直到我們將電源切斷為止。

圖二、日常生活中常見的電漿反應

值得注意的是,不同原子的原子核與電子的吸引力不同,因此要讓原子核與電子分開所需要的能量不同,當然原子核與電子結合後釋放出來的能量亦不同,釋放出來的光能量不同代表「發光的顏色不同」,廣告招牌使用的霓虹燈就是在玻璃管內充入不同的「惰性氣體(例如:氦、氖、氬等)」,使得發出來的光呈現各種不同的顏色變化。

日光燈與霓虹燈會發出不同顏色的光,除了與它們使用不同的氣體有關,還與它們所使用的「螢光粉」有關,這個部分將在〈光電顯示產業〉詳細介紹。

閃電打雷是由於下雨天有許多雲層會帶電,而且大自然的雲層所帶的電壓都在數百萬伏特以上,當相鄰的兩片雲層分別帶有大量的正電荷與負電荷時,會在某一瞬間產生放電,將能量轉移給兩片雲層之間的空氣(氮氣與氧氣),使氮氣與氧氣的電子跳出來形成氮離子、氧離子與電子,當氮離子、氧離子與電子結合時會將能量以光能的形式釋放出來,那道光芒就是我們所看到的閃電,如<圖二(b)>所示,而放電時會使周圍的空氣產生振動而發出巨響,就是我們聽到的打雷。

極光是在高緯度(南極或北極)的天空,由於太陽風或磁場產生帶電的高能量粒子,這些高能量粒子和高空中大氣層的氣體原子碰撞,將能量轉移給氣體原子而產生電漿,如<圖二(c)>所示。

【注意】

  • 電漿(Plasma):在工程應用上我們不可能取出「一個」氣體離子與電子來工作,所以一般都是取出「一團」氣體離子與電子來工作,而這一團氣體離子與電子我們就稱為「電漿(Plasma)」。
  • 霓虹燈(Neon lamp):要使不同原子的電子跳出來所需要的能量大小不同,因此不同的離子與電子結合時產生的光能量(顏色)也不同,可以用來製作不同顏色的霓虹燈。

【生活常識】日光燈

我們常常聽到 T5、T8、T9 日光燈,其實指的是日光燈的管徑,T8 與 T9 是指管徑 8/8 與 9/8 英吋,就是我們早期使用的傳統日光燈;T5 是指管徑5/8 英吋,燈管比較細使用時比傳統的 T8、T9 日光燈省電 50%。

傳統的白熾燈泡使用鎢絲發光,而鎢絲發出來的光 90% 是紅外光,眼睛根本看不到,只能產生熱能而已,只有少量的可見光用來照明,所以浪費電;而省電燈泡其實就是日光燈,發出來的光大部分是可見光,所以省電燈泡比白熾燈泡「省電」,但是要注意,省電燈泡就是日光燈,所以並沒有比日光燈省電哦!千萬不要因為它多了「省電」兩個字而弄錯了。

大家有沒有好奇,省電燈泡為何不像白熾燈泡一樣做成球形的就好,卻要像日光燈一樣用玻璃管「繞成」奇怪的形狀呢?那是因為要產生電漿必須將金屬電極設計在兩端,而且要有一定的距離讓電子加速撞擊原子,才能容易把原子核外的電子撞擊出來產生電漿,球形的結構不適合產生電漿,所以只好用玻璃管「繞成」奇怪的形狀囉!

【請注意】上述內容經過適當簡化以適合大眾閱讀,與產業現狀可能會有差異,若您是這個領域的專家想要提供意見,請自行聯絡作者;若有產業與技術問題請參與社群討論。

知識力》授權轉載

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