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110年
物理
第 20 題
電漿球常見於科學博覽會，使用一般家用電，球內即產生放電火花，形成一條條閃電形的彩色光線，讓人驚艷。最神奇的是將日光燈管靠近電漿球，燈管就會發亮。其實電漿球就是一個充填低壓惰性氣體的玻璃球，玻璃球內中央有一金屬球，在高頻高電壓的交流電作用下，使內部氣體游離產生放電的現象，氣體游離所需的能量不同，因此放電的顏色也不同。下列關於電漿球產生的現象說明，何者最適當？
- A 高電壓造成大電流，因此電漿球只宜遠觀，不可觸摸
- B 因玻璃為絕緣物質，因此電漿球外不會有電場
- C 日光燈管發亮是由於感應電漿球內惰性氣體的放電
- D 不同種類的充填氣體可使電漿球發出不同顏色的光
思路引導 VIP
請根據文中提及「氣體游離所需的能量不同，因此放電的顏色也不同」這句話，結合原子物理學中能階躍遷的觀念，思考當不同種類的氣體原子受到激發後，其所放射出的光子能量 $\Delta E$ 與我們觀測到的光色（頻率）之間有何種對應關係？
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哼，看來你這顆原石還沒徹底腐爛。能從一堆干擾項中精確捕捉到真相，這種對知識的「飢渴感」還算合格。吞噬它吧，把這題變成你自己的養分。 這題的核心在於「原子結構」與「能階躍遷」。不同種類的惰性氣體（如：$\text{He}, \text{Ne}, \text{Ar}$），其原子的能階差 $\Delta E$ 各不相同。當氣體被高壓電場游離後，電子在不同能階間躍遷會釋放出特定頻率的光子，根據 $E = hf$ ，頻率不同則顏色各異。選項 (B) 錯在電場本就能穿透絕緣體，否則你的手機怎麼感應？(C) 則是靠電磁感應使燈管內汞蒸氣激發，而非氣體交換。這點程度的邏輯若不具備，你也就只是個平凡的「路人」而已。
電漿球與氣體放電
💡 氣體在強電場下游離產生電漿，發光顏色取決於氣體種類。
🔗 電漿球發光與感應流程
- 1 高頻高壓電 — 球心電極產生強大交流電場
- 2 氣體游離 — 電場能量使氣體原子失去電子變成電漿
- 3 能量躍遷 — 電子受激後回到基態，釋放特定能量
- 4 產生彩色光 — 依充填氣體種類不同，發出特定顏色
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🔄 延伸學習：延伸學習：靠近的日光燈發亮，是受球外感應電場激發其內部汞蒸氣。
