辉光球实验：手指触摸引发神奇发光

美丽辉光球

Plasma Magic Light

“灯火万家城四畔，星河一道水中央。”白居易的诗为我们记录了当年杭州万家灯火的夜景。如今的都市更是不夜城，各种装饰照明光源为它披上流光溢彩的华美衣裳，展现出白天所没有的迷幻光彩。霓虹灯是其中应用最广的一种光源，自1910年在法国问世以来，历经百年而不衰。霓虹灯的发光原理为辉光放电，是电流通过气体时所伴有的一种发光现象。

实验装置

辉光球演示实验仪，如图1所示。

图1　辉光球演示实验仪和结构示意图

现象观察

1.辉光球发光现象观察

打开电源开关，辉光球发光。用指尖轻轻触及辉光球，可见辉光在手指周围变得更为明亮，产生的弧线顺着手的触摸移动而游动扭曲，似乎是随手指移动起舞。

图2　辉光球发光照片

2.辉光球点亮日光灯观察

手拿6W日光灯管的一端，使其另一端靠近辉光球，观测日光灯管的发光现象。(www.xing528.com)

现象解密

英国物理学家法拉第（1791—1867）在1831—1835年期间研究低压气体放电时发现辉光放电现象和法拉第暗区。1858年，德国物理学家普吕克尔（1801—1868）在1/100托低压下研究辉光放电时发现了阴极射线，成为19世纪末粒子辐射和原子物理研究的先驱。

辉光球又称等离子魔幻球，是一个密闭的球型玻璃腔，先被抽成真空，然后充满惰性气体——氖气（或氦气、氩气等），球中央有一个钢丝绕成的球状电极。球底部有一个振荡电路将普通的220V交流电或者12V直流电转变成高频脉冲式交流电，它的电压可以高达数千乃至上万伏，频率高达数百至数千赫兹，但电流只有几毫安。因此，当我们用手指接触玻璃球体时不会有触电的感觉。钢丝球电极通电以后，腔内的残余电子或正离子向异号的电极方向加速运动，在途中与腔体内的惰性原子发生碰撞，使其电离成电子和正离子。这些带电粒子同样被电场加速，并与其他惰性原子碰撞，使它们电离，这种雪崩式的碰撞电离使玻璃球腔内产生气体放电现象，形成等离子体。

辉光球发光是由于球腔内的惰性原子产生了受激辐射，即惰性原子被激发到较高能级，它们在向低能级跃迁时放出光子。由于同种惰性原子的能级间距是固定的，所以从高能级跃迁到低能级放出固定频率的光子。发出什么颜色的光取决于腔内充何种惰性气体，如果充氖气，它的发射光谱以红色为主，夹杂有少量的黄色光，充氩气发蓝紫色光，充氦气发粉红色光。若腔内充入不同含量的氦、氖、氩混合气体，就成为五光十色的霓虹灯。如果腔内充入少量的汞和氩气，并在内壁涂上荧光物质，即可成为日光灯。

当我们用手指接触辉光球的外壳时，为什么光线会聚在手指尖处，并随着手指的移动而移动呢？这是因为人体的电阻远小于辉光球外表面其他位置处接触空气的电阻，所以当我们用手指接触球外壳时，手指的电势相对较低，于是从球心通过手指到地形成一条通路，电流也是光线就主要会聚在手指尖处，并随着手指的移动而移动。

应用拓展

气体放电有许多效应，如导电效应、光效应、热效应等。导电效应应用在电力系统及电工制造业中，主要是为了改进气体绝缘性能，避免它们的破坏作用以及对环境的电磁干扰；利用气体放电的光效应，我们可以制造各种电光源。在生活中，我们利用电晕放电原理制造电除尘器，还可以产生臭氧(O₃)净化水源，这已成为改善环境的重要技术手段之一。

辉光放电主要利用其发光效应，如制成霓虹灯、日光灯，以及正常辉光放电的稳压效应，如氖稳压管。利用辉光放电的正柱区产生激光的特性，可以制造氦氖激光器。

思考题

1.问：你还能举出几个应用辉光放电的实例吗？

2.除了加高频强电场外，还有哪些方法可以使低压气体产生辉光放电现象？

3.手拿测电笔靠近辉光球，电笔能发光吗？为什么？

4.用一根接地的软导线靠近辉光球，会出现什么现象？