離子與電漿（Ion and plasma）的產生與應用

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！

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《知識力》授權轉載

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