Światło elektryczne. Dlaczego żarówka świeci?

W większości przypadków wyższe poziomy energetyczne są mniej stabilne (niemniej istnieją wyjątki od tej reguły), zatem elektrony wracają na poziomy niższe, emitując nadmiar energii jako promieniowanie elektromagnetyczne.

Odrobina historii

Człowiek od zamierzchłych czasów korzystał z różnych źródeł światła, aby oświetlać swoje domostwa. Do takich źródeł zaliczały się na przykład świece, lampy spalające oleje roślinne albo naftę. Miały jednak kilka wad. Najważniejszą z nich była łatwość powodowania pożaru przy nieostrożnym obchodzeniu się z ogniem. Dosyć istotny był również efekt nierównomiernego świecenia w miarę wypalania się paliwa.

Pierwsze prototypy tradycyjnych żarówek powstały na przełomie lat trzydziestych i czterdziestych XIX wieku. Początkowo urządzenia te nie miały praktycznego zastosowania, były jednak interesujące jako potencjalne źródło oświetlenia, bezpieczne w użyciu i niezanieczyszczające otoczenia. W ciągu kolejnych trzydziestu lat uzyskano prototyp żarówki nadającej się do praktycznego wykorzystania. Wkrótce potem w USA rozpoczęła się masowa produkcja żarówek, których konstrukcja nie zmieniła się znacząco aż do obecnych czasów.

Ze względu na niską wydajność żarówek (tylko 5% pobranej energii zostaje zamienione w światło) od połowy XX wieku coraz częściej zastępowano je urządzeniami wykonywanymi w innych technologiach. Jednym z takich urządzeń była lampa wyładowcza (świetlówka), która początkowo używana była jedynie w  różnego rodzaju instytucjach (szkoły, biura, fabryki). Dopiero na  przełomie XX i XXI wieku jej konstrukcja ewoluowała w kierunku kompaktowego urządzenia, które można zamontować w miejscu tradycyjnej żarówki.

Wadą świetlówki okazało się przede wszystkim nienaturalne światło, wyraźnie inne od światła słonecznego. Nie bez znaczenia jest również fakt, iż lampy gorszej jakości mogą emitować szkodliwe promieniowanie UV. Urządzenia te zawierają ponadto toksyczną rtęć, dlatego konieczny jest ich recykling.

W ostatnich latach lampy wyładowcze zostały praktycznie całkowicie wyparte przez lampy diodowe LED. W przypadku tych ostatnich urządzeń łatwiej uzyskać światło białe o widmie zbliżonym do widma światła słonecznego.

Kilka słów o mechanizmach świecenia

W tradycyjnej żarówce prąd płynący przez żarnik powoduje rozgrzanie go do temperatury około 3000°C. Dzieje się tak dlatego, że rozpędzone nośniki prądu (w tym przypadku elektrony), zderzając się z materiałem, z którego wykonany jest żarnik, oddają mu swoją energię. To z kolei powoduje wzbudzenie elektronów znajdujących się w żarniku na wyższe poziomy energetyczne.

W przypadku ciała stałego poziomy te są bardzo liczne, tworząc gęste pasma energetyczne. Jeśli zostaną one obsadzone przez wzbudzone elektrony, to istnieje ogromna ilość możliwości powrotu na poziomy niższe. Powracające elektrony wytracają nadmiar energii poprzez emisję kwantów promieniowania. Energia każdego kwantu, a zatem także widziany przez człowieka kolor światła, zależy wyłącznie od różnicy energii pomiędzy poziomem, z którego nastąpiło przejście
a poziomem docelowym.

Sytuacja ta została w dużym uproszczeniu zilustrowana na rysunku 1. Jednoczesna emisja kwantów o różnych energiach prowadzi do powstania widma ciągłego, będącego mieszaniną wszystkich kolorów. Przy odpowiednio wysokiej temperaturze żarnika widmo takie jest przez oko ludzkie odbierane jako światło zbliżone do światła słonecznego.

1. Rozgrzane ciało stałe emituje równocześnie wiele kwantów światła o różnych energiach.
Powstaje widmo ciągłe, odbierane przez oko ludzkie jako światło jednobarwne

Nieco prościej wygląda sytuacja w lampach wyładowczych, w których do świecenia pobudzane są rozrzedzone gazy. Struktura poziomów energetycznych gazu jest znacznie uboższa niż w przypadku ciał stałych i do tego jest charakterystyczna dla każdego pierwiastka. Można zatem dobrać taki gaz, który będzie emitował kwanty promieniowania pobudzające do świecenia konkretny luminofor. Podobne rozwiązanie stosuje się w lampach diodowych, skonstruowanych
w oparciu na półprzewodnikach.

Sprawdź swoją wiedzę

W półprzewodnikach zazwyczaj istnieje możliwość przeskoku elektronu pomiędzy dwoma ściśle określonymi poziomami. W rzeczywistości jeden z tych poziomów jest pasmem przewodzenia, co dla uproszczenia zostało pominięte w tym artykule. Wyobraź sobie, że na rysunku 2 środkowy poziom energetyczny przesuwamy bardzo blisko poziomu górnego, tworząc pasmo energetyczne. Jakie światło będzie dominować w widmie diody LED o takiej strukturze poziomów?

2. W przypadku pobudzonych do świecenia gazów istnieje zazwyczaj tylko kilka przejść
w zakresie światła widzialnego. Powstaje widmo dyskretne składające się z wyraźnie
oddzielonych linii, charakterystyczne dla każdego pierwiastka

Wskaż prawidłową odpowiedź:

1. Czerwone lub podczerwone, odpowiadające strzałce z lewej strony rysunku.
2. Fioletowe lub ultrafioletowe, odpowiadające strzałce środkowej.
3. Niebieskie, odpowiadające strzałce z prawej strony rysunku.
4. Nie będzie emitowane żadne światło.

Dla nauczyciela

Niniejszy materiał może zostać wykorzystany na lekcji fizyki w szkole ponadpodstawowej zarówno w zakresie podstawowym, jak i rozszerzonym do realizacji punktów podstawy programowej związanych z powstawaniem widm emisyjnych ciał, w szczególności punktu X.4 (zakres podstawowy) oraz XI.4 (zakres rozszerzony). 

Joanna Borgensztajn

Odpowiedź do zadania: B