放電管が放電し、発光する原理

世の中にはキセノン灯や水銀灯、また水素放電管など発光する物が色々ありますが、それらに電圧を加えるとどうして発光するのですか？
電圧を加えるという事は電子にエネルギーを与える事になるので、電子が上のエネルギー準位へ励起されると思います。でも、そこでどうして電子が光を出して発光するのかが分かりません。１度エネルギーを与えて電子を励起しても、電子は何もしなくてもすぐにエネルギーを失って元のエネルギー準位に下がるので光を出す（元の状態で安定しようとする）という性質でもあるのですか？電灯の事を調べてもガラス管内のガスをどうのという原理はよく理解できず、私が知りたい内容も得られませんでした。これは余談ですけど、光電効果では光を金属表面に当てると電子が飛び出す事がありますが、光子からエネルギーをもらった電子は（飛び出した電子じゃなくても）、その金属固有の光を出す事はあるのですか？

電子はどういった過程で光を出すのか、どなたかご教授お願いします。

No.3 ベストアンサー 回答者： ngkdddjkk 回答日時： 2013/12/06 00:01

フランクヘルツの実験

http://www.shiga-ec.ed.jp/kagaku/05shisets/bake/ …

これを一通り読んで理解できなければ、基礎知識不足です。
(実験結果の図1枚を理解できれば解決します)

この回答への補足

大変分かり易いページを紹介して下さって有難うございました。概ね理解できました。ただ、１点ずっと勘違いしている事があります。
URLのページにおける図５の図題は「水銀原子のエネルギー準位」とありますが、「水銀電子のエネルギー準位」とは書かないのでしょうか？私は今まで図１のように「電子」のエネルギー準位が各定常状態間を遷移していると思っていました。この実験でいうと熱電子が水銀原子核に衝突して、その衝突によってエネルギーを得た水銀原子が励起され、そして光を出して元の状態へ戻るとありますが、光を出すのは原子ではなく電子だと思います。原子は原子核と電子から成るので、ただまとめて原子と言ってるいるだけですか？もし原子のエネルギーとは即ち電子のエネルギーを指すのなら、原子の格子振動によるエネルギーも入ってくるので、不正確な気がします。それとも格子振動など原子がもつ諸々のエネルギーが電子のエネルギーという事でしょうか。

補足日時：2013/12/06 06:39

この回答へのお礼

疑問が解決できました。どうも有難うございました。

お礼日時：2013/12/11 11:08

No.5 回答者： ngkdddjkk 回答日時： 2013/12/06 21:39

No.4ですが、私も暗黙の了解的な書き方していましたね。

原子が励起→内殻の電子が励起しようとするが、電子はフェルミ粒子であるであるために一つ外殻が電子で占められていると励起できない→最外殻の電子がさらに外殻へ励起する

ということです。まあ、エネルギーが大きくなってくると最外殻だけではなくなりますが。。。

No.4 回答者： ngkdddjkk 回答日時： 2013/12/06 12:51

鋭いところを聞いてきますね。

URLの中では、電子を原子に当てて、原子内に存在していた電子を励起させて発光というプロセスになるかと思います。
単に電子のエネルギー準位と書かれてもどの電子か特定に困ります。
原子のエネルギー準位と書いておけば、原子内に存在するすべての電子を対象としていることが読み手に伝わります。

単に言い方の問題です。

※格子振動は固体特有の束縛振動です。今回は関係ありません。

No.2 回答者： Tann3 回答日時： 2013/12/04 23:32

　「電圧を加える」だけでは光りません。

加えた電圧が絶縁破壊して放電する、つまり電流が流れることで光ります。

　簡単に言えば、特定の気体（ネオン、キセノンなど）を封入したほとんど真空に近い放電管に電流を流す（つまり電子が流れる）と、この電子が気体原子の軌道電子のエネルギー準位を励起させ、この軌道電子が低いエネルギー準位に落ち着くために、余分なエネルギーを「光」（電磁波）として放出する、ということです。電流が流れている間、これが繰り返し行われるので、発光し続けます。

　どの程度の物理のバックグラウンドのある方か存じませんが、とりあえずこんなサイトをご覧になってはいかがでしょうか。
http://www8.ocn.ne.jp/~yohsuke/aurora_4.htm

　より詳しくは、一定の波長の光（決まった色の光）が出る理由として、「軌道電子のエネルギー準位はとびとびの値をとる」（任意のエネルギー値ではなく、一定の決まった値しかとらない）ということも理解しないといけないのですが、そこまで知らなくとも、何となく理解はできると思います。

　電子を照射すると光るのは、放電管のように特定の気体だけで、金属から光電効果で飛び出す電子では光は発しません。（仮に光を出しても、金属の内部では、気体のように外からは見えません）

No.1 回答者： hitokotonusi 回答日時： 2013/12/04 10:57

＞電灯の事を調べてもガラス管内のガスをどうのという原理はよく理解できず、

ここに書いてあったこととそうは変わらないと思いますが，

1. フィラメントから熱電子が放出される。
2．熱電子がガラスのなかに封入されたキセノンなどの気体に衝突。
3．熱電子のエネルギーで気体の原子中の電子を励起。
4．励起された原子中の電子が元に戻るときに発光。

水銀燈やナトリウムランプなども同じです。
ハロゲンランプ，蛍光燈は違いますが。