Dlaczego żarówka świeci?

Zastanawialiście się kiedyś dlaczego żarówka świeci? Może ktoś z Was zastanawiał się, skąd bierze się świecenie na przykład rozżarzonego kawałka węgla, piecyka, drutu? Nie mówimy tutaj o płomieniu- to jest całkowicie inne zjawisko, a mianowicie chemiczne. Może to być zadziwiające, ale świecenie rozżarzonych przedmiotów jest zjawiskiem... kwantowym.

Zwykle mówiąc o fizyce kwantowej, ludzie mają na myśli szalonych naukowców, wielkie cyklotrony, ogromne energię i grono dziwnie nazywających się cząsteczek, ale przede wszystkim mają przed oczami setki skomplikowanych wzorów, których nie da się ogarnąć. Oczywiście mówiąc o zjawiskach fizycznych na poziomie kwantów, jeśli chcemy dokładnie oddać naturę procesu musimy używać skomplikowanych aparatów matematycznych, które niestety, nie są dla wszystkich dostępne, ale to nie powstrzymuje nas przed obserwacją zjawisk bez użycia potężnych maszyn. Wystarczy do tego lampa. Zwykła lampa biurowa czy jakakolwiek lampa. W mowie potocznej przyjęło się mówić,  że żarówka świeci, bo płynie przez nią prąd i ona się nagrzewa i już. Jest to jedynie połowiczna prawda, ale spróbujmy przyjrzeć się temu z perspektywy atomu.

Pręt w żarówce złożony jest głownie z wolframu. Wolfram jest pierwiastkiem 6 grupy i 6 okresu Układu Pierwiastków. Jest metalem o symbolu W. Powodem dla którego używany jest jako żarnik jest jego wysoka temperatura topnienia (powyżej 3000K), ponieważ trzeba pamiętać, że w żarówce, w której panuje dość wysokiej jakości próżnia, podczas świecenia pręcik osiąga temperaturę około 2500-3000 Kelwinów.

Podczas pstryknięcia przełącznikiem światła, przez instalację elektryczną zaczyna poruszać się prąd. Jeśli mówimy, że prąd 'płynie' mamy na myśli uporządkowany ruch elektronów. Elektrony te pochodzą z elektrowni (nie będę tutaj omawiał dokładnego procesu powstawania prądu i jego przesyłu do naszych domów, ponieważ nie jest to celem artykułu, ale dla chętnych polecam artykuł, który znajdziecie pod tym linkiem). Drucik wolframowy zbudowany jest z atomów, czyli "kulek" otoczonych gęstą chmurą elektronów. Podczas przepływu prądu przez drucik wolframowy występuje zjawisko 'hamowania prądu'- oznacza to, że drucik wykazuje pewien opór, czyli tak jakby hamuje przechodzenie elektronów. Powoduje to wzbudzenie wibracji atomów wolframu. Atomy te zaczynają mocno i szybko drgać  Po chwili elektrony atomów przeskakują na powłoki wyższe- trzeba pamiętać  że elektrony w atomie 'krążą' po odpowiednich orbitach, tak jak planety dookoła Słońca. W momencie gdy atom otrzymuję pewną energię ( o odpowiedniej wartości) elektrony z niższych powłok przechodzą na powłoki wyższe, przez co zyskują wyższą energię. Atomy nie lubią być w takim stanie- im niższa energia atomu tym jest on 'spokojniejszy', dlatego elektrony, które przeszły na wyższe powłoki po chwili 'decydują' się wrócić na swoje orbity, by atom nie musiał długo pozostawać w stanie wzbudzonym. Oczywiście mają one 'nadmiar' energii, dzięki której przeszły z niższej powłoki na wyższą, a ponieważ energia nie może tak po prostu znikać,  to aby elektrony mogły przejść z wyższej powłoki na niższą muszą oddać część energii. Przez długi czas zastanawiano się jak elektron oddaje część tej energii, aż odkryto pewną cząstkę- foton. Zanim przejdę do omawiania roli fotonu w procesie powstania barwy wrócę na chwilę do mechanizmu powstania fotonu. Foton sam w sobie jest bez masową 'kuleczką', która przenosi oddziaływanie elektromagnetyczne. Fotony poruszają się z prędkością światła, bo w sumie to właśnie one są światłem. Promieniowanie elektromagnetyczne ma szerokie spektrum, ale to właśnie kolory są manifestacją obecności fali elektromagnetycznej. Zależnie od długości fali (czyli od energii jaką niesie foton) fala może być postacią fali radiowej (czyli takiej jakie odbierają nasze telewizory), fotony o określonej energii mogą być promieniowaniem mikrofalowym, a o jeszcze innej energii mogą tworzyć światło widzialne, czyli takie jakie my widzimy.

Wizualizacja fotonu.

Elektron, który przebywa na wyższej powłoce, przechodząc na mniejszą traci część energii. Tą częścią energii jaką traci jest właśnie wysłanie fotonu. Foton ten powstaje z energii (wzór Einsteina) i odlatuje z atomu. Zależnie od tego z której powłoki i o jakiej energii foton ucieka, taką barwę my widzimy. Podobnie działa mechanizm na zasadzie świecenia np. klapy od pieca. Energia cieplna wprawia w ruch atomy w których elektrony wskakują na wyższe orbity, a po chwili wracają na niższą orbitę oddając kawałek energii w postaci fotonu.

Jeśli ciało jest raczej "chłodne" widzimy jego kolor jako czerwony. Oczywiście wiem, że klapa pieca jest bardzo gorąca, ale dla fotonów jest ona raczej chłodna. Fotony wypromieniowane z takiej klapy rozżarzonej do czerwoności mają raczej niską energię, stąd barwa czerwona. Im gorętsze ciało, tym bardziej energetyczne wylatują z ciała fotony, przechodząc od barwy czerwonej, przez żółtą, a kończąc na niebieskiej i białej. Czasami mówimy, że coś jest rozżarzone do białości- oznacza to, że jest to cholernie gorące ciało (powyżej 4000K). Oczywiście materia może 'świecić' w innych zakresach fal elektromagnetycznych. Ciała zimniejsze (np. człowiek) wysyła promieniowanie podczerwone, którego nasze oczy nie potrafią wychwycić.

Ciekawostką na zakończenie może być fakt, że każde ciało w tej samej temperaturze świeci takim samym światłem. Gdyby tylko dało się bardzo szybko zagrzać ciało człowieka do 4000K przez chwilę (do momentu całkowitego wyparowania i zwęglenia) ciało świeciło by się na biało. I tak oto tajemnica świecącego drucika została rozwikłana (oczywiście w uproszczeniu).