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Leuchtstoffröhre - die Physik dahinter

Eine Leuchtstoffröhre lässt sich durch Reiben mit einer Folie zum Leuchten bringen. Aber wie kommt dieses erstaunliche Phänomen zustande und warum erzeugt die früher als Neonröhre bekannte Glasröhre überhaupt Licht?

So funktioniert eine Leuchtstoffröhre.
So funktioniert eine Leuchtstoffröhre.

Licht im Gas erzeugen - das Prinzip der Gasentladung

  • Das Licht einer Leuchtstoffröhre entsteht nicht durch die Wärmewirkung des elektrischen Stroms wie bei der Glühlampe, sondern, indem sich elektrische Ladungen durch das Füllgas bewegen und dieses zum Leuchten bringen.
  • Bei diesem Prozess spielt die Stoßanregung von Atomen, Ionen oder Molekülen im Gas die entscheidende Rolle.
  • Die (klassische) Gasfüllung im Glasrohr ist eine Mischung aus Edelgasen wie Neon (daher Neonröhre), Helium oder Argon und einer geringen Mengen Quecksilber (nur einige Milligramm).
  • Das Quecksilber wird, nachdem es in Dampfform übergegangen ist, bei einer Gasentladung zu einem schwachen Leuchten angeregt.
  • Gase sind im natürlichen Zustand eigentlich gute Isolatoren, weil die Gasmoleküle und die Atome der Edelgase elektrisch neutral sind.
  • Damit sie leitend werden, müssen bewegliche Ladungen in das Gas gebracht oder in ihm selbst erzeugt werden.
  • Bringt man zum Beispiel Metalle zum Glühen, dann geben sie elektrischen Ladungen, nämlich Elektronen, in ihre Umgebung ab. Dieser Vorgang wird Glühemission genannt.
  • So versorgen die an den Enden der Leuchtstoffröhre angebrachten Metallelektroden die Gase in der Röhre mit den notwendigen Elektronen.
  • Legt man nun eine elektrische Spannung an, dann wandern die beweglichen Elektronen zu der jeweils entgegengesetzt geladenen Elektrode.
  • Durch den geringen Gasdruck stoßen die leichten Elektronen auf ihrem Weg nur selten mit anderen Atomen oder Molekülen des Gases zusammen. Sie werden also durch die angelegte Spannung auf hohe Geschwindigkeiten beschleunigt.
  • Stoßen sie dann dennoch mit einem Partner zusammen, so können sie diesen ionisieren. Dabei entstehen weitere Ladungsträger, sowohl Ionen als auch Elektronen, die nun ihrerseits beschleunigt werden und zu weiteren Ionisationen in der Leuchtstoffröhre beitragen.
  • Es kommt zu einer Kettenreaktion, die Ladungsträger vermehren sich lawinenartig: Die Leuchtstoffröhre hat gezündet.
  • Die Leuchterscheinungen im Gas sind eine Folge der Stöße mit den Atomen des Quecksilberdampfs, man spricht von Stoßanregung, die nur von kurzer Dauer ist.

Die Leuchtstoffröhre benötigt einen Lichtwandler

  • Das von den Quecksilberatomen direkt ausgestrahlte Licht empfindet das menschliche Auge als sehr schwach. Das Spektrum enthält große Anteile von ultraviolettem Licht der Wellenlänge 254 nm, das nicht sichtbar ist (und bei direkter Einstrahlung Linse und Netzhaut schädigen kann).
  • Bei Leuchtstoffröhren für die üblichen Beleuchtungszwecke besteht also der nächste Schritt darin, das UV-Licht des Quecksilberdampfes in sichtbares Licht umzuwandeln.
  • Dazu wird die Innenseite der Röhre mit einer Fluoreszenzschicht ausgekleidet, in der die gewünschte Lichtumwandlung stattfindet.
  • Die entsprechenden Stoffe werden so gewählt, dass sie das UV-Licht absorbieren und langwelligere Strahlung abgeben. Anfangs nutzte man hierfür beispielsweise Metallsalze wie Zinksulfid, in heutigen Lampen sind Mischungen aus Halogenen, Phosphor und Metallen üblich, sogenannte Drei-Komponenten-Mischungen.

Übrigens: Bei Schwarzlichtlampen, wie sie oft in Diskotheken benutzt werden, bleibt ein Teil des UV-Lichtes erhalten. Man kann dieses erst nach der Wechselwirkung mit anderem Material, zum Beispiel Kleidung, sehen.

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