辉光球的发光原理及在物理教学中的应用

孙佩雄 蒋甜甜

(天津师范大学 天津 300387)

辉光球作为一种具有娱乐性的电子科技产品，近年来不仅被科技馆、学校作为实验演示器材，更是在各类商业活动、酒吧、餐厅中频繁出现．对其原理进行研究后，不难发现，高中物理中电学部分以及原子结构部分的相关知识在辉光球实验中都得到了充分的应用和验证．因此，将辉光球实验应用到教学中，可以使学生将所学的知识与实验现象结合起来，在激发学生学习热情的同时，也可以使他们的探究能力得到提升．

1 辉光球的发光原理

辉光球的密闭球壳采用高强度的透明玻璃制成，球体中心为一个黑色电极，电极内由金属丝弯绕后填充，底座内安装有振荡电路板．将辉光球通电时，球体内部会出现一些辐射状的辉光，色彩十分亮丽夺目，如图1所示．

图1 辉光球

图2 辉光球内电子受力情况

辉光球内的气体一般为惰性气体，这是由于单原子气体的动能完全表现在平移的运动上，可以在碰撞中有效地将能量转移给被激发的原子．本次实验笔者采用的是充有氖、氩、氙混合气体的辉光球，可以观察到辉光条纹在靠近中心电极的一侧呈紫色，外侧呈红色．因为随着半径的增大，电场逐渐减弱，游离电子所受到的电场力也随之减小，假设球体内部的气体密度是均匀的，加速距离不变，其积累的能量就会随着半径的增大而减小，所激发的辉光的能量也随之降低，如图2所示．

ΔEk=ΔWe=FeΔr=qEΔr

W光子=hν

又有

E内>E外

则

W内层光子>W外层光子

当然，由于不同原子的发光频率是不一样的，选用不同气体的辉光球进行实验也可观察到不同颜色的辉光．

除了高电压和气体种类之外，想要使辉光球发光，还要注意球内气体的密度，通常将其控制在10-4～10-1atm的低气压．密度过高，会限制游离态电子的加速距离，进而导致其不能积累足够的动能，由动能定理可知

ΔEk=ΔWe=FeΔr

光子能量

W光子=hν

因此只有当ΔEk>W光子时才可能使其辐射辉光．但是如果密度过低，又会大幅减小游离态电子碰撞的几率，导致所辐射的辉光稀疏，不利于观察，可见球内密度也并非越低越好．

2 人手触摸辉光球时的现象分析

当人用手触摸光辉球表面时，可以观察到辉光被手吸引的神奇现象，如图3所示．辉光球内部的光芒说明内部的气体已经导通，其外壳的电势虽然远小于中心的电极，但是仍然高于地面电势．当人手触摸光球表面时，人体上从手到脚就产生了明显的电势差，又因为人体的电阻小于辉光球之外气体的电压，所以有大量电流集中在手触摸处透过玻璃传至手上，再经人体传至地面．

图3 人手触摸辉光球时的现象

人手触摸球体表面时，人体存在电势差，也有电流通过，此时电势差虽然较大，但人体并没有触电的感觉，这表示传入人体的电势能很少，根据公式

W=Uq

推导出流入人体的电荷量很少，流经人体的电流也很小．说明高电压还需要搭配足够的电荷量，才可以输出大量的电能．

3 利用辉光球点灯的实验

3.1 日光灯管的发光原理

正常情况下，日光灯的灯丝受热会发射出大量电子，这些电子在灯管两端高电压的作用下加速，能够以极大的速度由电势较低处向电势较高处运动．运动的过程中与管内氩气分子碰撞，使其迅速电离．氩气电离产生的热量使液态水银变成蒸气，随即水银蒸气也被电离，发出强烈的紫外线．在紫外线的作用下，灯管内壁的荧光粉发出白色的可见光．

3.2 辉光球点灯

用日光灯管的一端接触辉光球，可以观察到灯管被点亮了，如图4所示；将日光灯管离开辉光球，在距离球体2 cm的范围内，日光灯管仍能发光，只是亮度有所降低．这是由于日光灯管与辉光球接触时，灯管产生了极高的电势差，导致了灯管内气体被激发，被激发的汞气体分子发出紫外线，作用在管壁的荧光粉上发出白色可见光．日光灯管不接触辉光球时，灯管的电势差虽然会降低，但是灯管仍可被点亮，说明该电势差足以使管内气体电离．这一原理与辉光球发光的原理相似．

图4 辉光球点灯

若想使被辉光球点亮的日光灯熄灭，关键在于降低灯管两端的电势差，让灯管的一端与辉光球接触，另一端用手握住，再用另一只手也触摸辉光球，此时灯管两端均与辉光球表面的电势相等，电势差为零，灯管不再发光．

利用辉光球还可以间接点灯，第一个人用一只手接触辉光球，另一只手握住灯管一端，第二个人用一只手握住灯管的另一端．由于电流经过人体后，电势差已有明显下降，无法使灯管发光．想要使灯管被点亮，第一种途径是，在无法提高电势差的情况下，提高电场，根据公式

可知，缩短两人手握灯管的距离可以有效地提高管内的电场，使气体电离，灯管发亮．另一种途径则是试着提高手握灯管两侧的电势差，让提供高电势者(触摸辉光球的人)鞋底绝缘或腾空，也可使灯管被点亮．

4 辉光球实验在高中物理教学中的应用

在人教版高中物理教材中，有两部分知识与辉光球实验有着密切的联系．一部分是《物理·选修3-1》第一章“静电场”；另一部分是《物理·选修3-5》第十八章“电子结构”．

在电学部分的教学中，可以利用辉光球的系列实验来增强学生对电势、电势差(电压)等知识的理解．尤其是间接点灯的实验，在强调电势差的同时，还将电势差、电场及距离3个物理量有机地结合在一起，通过实例，使学生对这一部分的知识形成整体的把握．同时，这一系列的实验也对高中物理中“产生电流需要有闭合回路”这一知识点提出挑战，实际上此实验中“闭合回路”并非产生电流的必要条件，而关键在于“电势差”和“电场”．

在原子部分的教学中，利用辉光球的实验为学生讲解电离、轨道量子化以及能级跃迁等知识，可以使抽象的知识具体化，有助于学生的理解．同时，原子结构的相关知识比较枯燥，利用辉光球实验进行教学可以增强学生学习的兴趣，从而使学生更好地掌握知识．

最后，教师还可以利用点灯实验为学生讲解日光灯与白炽灯的区别．辉光球不能使白炽灯发光，是因为白炽灯发光与否取决于灯丝的温度，属于热光源．白炽灯发光时灯丝的电阻将电能转化为热能，且产生的热能功率需大于灯丝散热速率，才能使灯丝温度上升，约达到500 ℃以上时才可以发出可见光．

参考文献

1 雷广粮．中学物理中有关日光灯的几个问题．物理通报，2007(5)：23～27

2 何桂明．用辉光球与日光灯开展趣味气体放电实验．物理教学探讨，2010,28(8)：54～55

3 熊举峰，谭红明．辉光球的教学演示设计．湖南中学物理，2009(7)：42～43

4 张慧贞.创新物理教材教法．台中：逢甲大学出版社，2011.230～241