蛍光灯と白熱球の違い?光る仕組みを簡単に解説!

2020年4月20日身の回りの科学

私たちは照明によって、夜でも昼間のような明るさを手にしています。そして、そんな証明ですが、最近そのほとんどが、LEDに置き換わりつつありますよね。

しかし、まだまだ現役で照明の代表的な物の中に『蛍光灯』があります。私が学生の頃、机を照らしてくれたのは蛍光灯です。今でも蛍光灯が使われているところは多いと思います。

では、そんな蛍光灯は一体どのように光っているのでしょうか?

蛍光灯の筒の中にはガスが含まれています。そして、電気を流すと熱電子が放たれ、ガスと衝突することで光ります。しかし、これだけでは蛍光灯のような光にはなりません。

その光を私たちの目に見える色に変換しなければならないのです。ここで登場するのが『蛍光物質』。筒に塗られている蛍光物質が放たれた光を吸収し、私たちがみている蛍光灯の光に変換してくれているのです。

このような複雑な過程を経て、蛍光灯は光っているのです。結構ややこしいですよね。今回は蛍光灯と白熱電球の違いからもう少し詳しく蛍光灯について説明していこうと思います。

1.白熱電球

電気とは、電子の流れのことです。原子は電子をもっており、その電子の動きが電流になるのです。つまり、金属に電流が流れるということは、金属で電子の流れが起こっているということになります。

例えば、白熱電球は、フィラメントに電気が流れることで光ります。このフィラメントに電子の流れが起き、その時の『電気抵抗』によって光っているのです。

電子が原子にぶつかったりすれば、すんなりは通りませんよね。すんなりいけないというのが、電気抵抗です。

フィラメントを構成している原子に、ぶつかったりこすれたりすることで、エネルギーが生まれるのです。まさにこのエネルギーこそが光の正体ということです。

しかし、このようにして生まれたエネルギーは光だけではなく、その多くが熱にも変換されることになります。つまり、白熱球は熱と光を伴って、私たちを照らしてくれているのです。

そして、そんな白熱球のフィラメントが、切れることがあると思います。実はフィラメントは光っているうちに、熱で昇華していってしまうのです。現在、白熱灯のフィラメントのほとんどがタングステンであり、このタングステンが熱によって気体になってしまうということですね。

白熱灯の中を不活性化ガスであるアルゴンや窒素などで満たし、なるべく気体にならないようにしていますが、それでもフィラメントはだんだん細くなり、切れてしまいます。

では、次に蛍光灯はどのようにして光っているのでしょうか?

2.蛍光灯はどうやって光っているの?~放電~

白熱灯は金属に電気を流して光っていました。しかし、蛍光灯は全く違います。蛍光灯は白熱灯のようにフィラメントではなく、筒に満たされたガスの中で光が起こるからです。

蛍光灯に電気を流すと、電極にある金属に熱が生じ、反対の電極に向かって電子がガスの中に飛び出していきます。この飛び出した電子は『熱電子』と呼ばれています。

ガスはフィラメントのように電気を通しやすいわけではありません。しかし、熱のせいで電子が飛び出していくので、電気を通しにくいガスにも電子の流れができるわけです。つまり、電気が流れるというわけです。

このように気体に電気が流れることを『放電』と言います。まさに雷も放電の一種です。

また、この電極にはエミッターが塗られています。エミッターとは、電子が放出しやすくなる物質のことです。そのおかげで、熱電子がガスに向けて放出されていくわけですね。

ここまでをまとると、蛍光灯に電気を流せば電極からガスに電子が飛び出していく。ということになります。では、飛び出した電子はどうなるのでしょうか?

3.蛍光灯はどうやって光っているの?~電子の衝突~

蛍光灯の筒の中に満たされたガスは主に水銀ガスです。飛び出してきた電子は、このガスに勢いよくぶつかることになります。

ぶつかるとどうなるでしょうか?ガスももちろん原子ですよね。原子は電子を持ち、電子はその軌道上を回っています。

そこへ勢いよく電子がやってくると、その勢いによって原子の周りを回る電子がずれてしまうのです。このずれている状態は高いエネルギーを持ち、この状態を『励起状態』と言います。

つまり、電子がもの凄い勢いでぶつかってくるので、原子が励起状態になるということです。しかし、エネルギーの高い励起状態のままではいられません。

エネルギーが低い『基底状態』へと戻っていくのです。この時、エネルギーには差がありますよね。励起状態から基底状態へのエネルギーの差。まさにこの差が光となるわけです。

こうして無事に光がうまれましした。しかし、光は生まれましたが、このままでは私たちは見ることができません。なぜなら、生まれた光はエネルギーが大きすぎて、紫外線となっているからです。なんとか変換しなくてはいけませんね。

4.蛍光灯はどうやって光っているの?~蛍光物質~

ここで登場してくるのが『蛍光物質』です。蛍光灯の筒にはこの蛍光物質が数種類塗られています。蛍光物質とは、光を吸収し、別の波長に変換する分子。

蛍光灯に電気が流れると、ガスと電子の衝突によって生み出された紫外線は蛍光物質に吸収され、私たちが見ることができる可視光線に変わるのです。

実はこうした複雑な過程を経て、蛍光灯は光っているのです。では、蛍光灯の寿命が近づいてきた時、どうなるでしょうか?ちかちかしだしますよね。

白熱灯のように突然消えるのではなく、ちかちかします。

それは、塗られているエミッター(電子放電物質)が、使用しているうちに減ってくるので、電子が飛び出したり、飛び出さなかったりするからんなんです。

照明によってもその寿命というのはいろいろ違うというわけですね。

5.さいごに

最近普及し始めたLED。2020年にはほとんどすべてが、LEDに変わると言われています。

なぜなら、LEDは白熱灯や蛍光灯よりも、長持ちで消費電力も少ない上に蛍光灯の様にガスを使用しないため、環境にも優しいからです。

しかし、LEDは蛍光灯と違って波長が高い光も出すので、中にはLEDの光ががしんどい人もいるかもしれません。LEDの光ももっと優しいものになればいいですね。

エジソンとスワンによって白熱灯が普及して以来、私たちは夜でも不自由なく生活することができています。そして、より良いものに。白熱灯から蛍光灯へと。そして、LEDに変化していっているというわけです。

きっとこの先、LEDを超えるものも出てくるかもせれませんね。そんな未来が楽しみです。