夜晚的“彩虹”
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夜幕降临，城市里亮起了各种彩色的灯光，它们装点着招牌、广告牌和大街小巷，为城市增添热闹与繁华。这些绚丽灯光就如彩虹一般，所以有了一个好听的名字——霓虹灯。
霓虹灯是怎么把彩虹“捕捉”进灯管里的呢？这些在夜晚出现的“彩虹”其实是靠一类名叫惰性气体的物质发光的。但是惰性气体本身不会发光，通常没有颜色，从它们的名字——“惰性气体”，你可以看出它们是一种“很懒”的气体，不爱发生化学反应，在一般环境条件下总是非常稳定。所以要想让它们发光，就必须使用非常手段——电。
最常见的霓虹灯里装的是氖气，也就是由氖这种化学元素构成的单质气体。要想制作一个霓虹灯，首先需要将玻璃灯管中的空气都抽走，然后充入少量氖气，灯管的两端各有一个电极——一个正极，一个负极。当灯管通电时，电极两端形成高电压（几千到上万伏），氖原子的外层电子获得了足够的能量就不再受中心原子核的束缚，像只脱缰的野马一样跑了出去，这个过程就叫做电离。但这些逃出的电子并不是像无头苍蝇那样四处乱撞，而是朝向与它们电性相反的正极移动。另一方面，氖原子失去了带负电的电子变成了带正电的离子，它们会受到负电极的吸引而流向那里。如此一来灯管里便产生了电流，而这些带电粒子形成的气体状的物质就叫做等离子体。
电是通了，那么光又是从哪儿来的呢？氖原子中的电子被大量激发出来以后，在电压的持续驱动下，灯管中的带电粒子会不停加速“奔跑”，一大群运动的粒子难免相互碰撞，这时候电子又会被正电离子吸引，变回最开始的原子。在这个过程中，能量较高的电子会释放多余的能量，从高能态降到低能态，让自己更“稳一点”，而它们释放能量的形式就是光子。当释放光子的数量足够多，你就会看到明亮的灯光了。
发光的问题解决了，可霓虹灯的颜色又是怎么来的？我们日常使用的白炽灯之所以是白色的，是因为其中的带电粒子发出的光波几乎包含所有颜色（波长）的可见光，就像阳光一样。而霓虹灯中的特定气体只释放特定波长范围的光，气体原子的能级结构决定了它所释放光线波长，通常波长越短，颜色越偏蓝紫，反之则越偏红。霓虹灯中最常用的氖气通电后可以发出鲜艳的橙红色光。
一种颜色还是太单调，算不上“彩虹”，要想获得其他颜色的光，通常有两种办法。第一种方法是使用其他种类的气体，比如氦气电离后可以发出粉红色的光、氩气对应蓝紫光、氪气对应蓝绿光。你还可以通过混合不同气体像调色板一样获得新的颜色。另一种方法更常用——把不同颜色的荧光粉涂在灯管的内壁，透过这些彩色灯管，灯光的颜色就可以被任意改变了。
霓虹灯从上世纪就已经流行开来，成为繁华城市必不可少的一部分。但是霓虹灯的制作工艺相对复杂，玻璃灯管也容易碎，还需要动用高压，因此在科技发达的今天，它们已经逐渐被更加节能高效的彩色LED灯所替代。无论是霓虹灯还是彩色LED灯，它们都是人类文明编织出的华丽“彩虹”。
作者：Mirror
审稿：张轩中（科普作家，中国物理学会会员）
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