안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.
형광등이 빛을 내는 과정은 원자 수준에서 일어나는 에너지 변환의 연속이라고 할 수 있습니다. 우선 유리관 양 끝의 전극에 전압이 가해지면 전자들이 방출되어 관 내부를 빠르게 이동합니다. 이 전자들이 관 안에 들어 있는 수은 원자와 강하게 충돌하면, 수은 원자 내부의 전자가 에너지를 흡수하여 안정적인 기저 상태에서 에너지가 높은 들뜬 상태로 올라가게 됩니다.
하지만 들뜬 상태의 전자는 매우 불안정하기 때문에 순식간에 다시 원래의 낮은 에너지 상태인 기저 상태로 돌아오려 합니다. 이때 전자는 가지고 있던 과잉 에너지를 밖으로 내보내는데, 수은 원자의 경우에는 그 에너지의 크기가 자외선 영역의 파장에 해당합니다. 이렇게 발생한 자외선은 우리 눈에 보이지 않지만 매우 높은 에너지를 품고 있습니다.
유리관 벽에는 형광체라는 물질이 발라져 있는데, 수은에서 나온 자외선 광자가 이 형광체와 부딪히면 다시 한번 에너지 전이가 일어납니다. 형광체 원자들이 자외선을 흡수하여 들뜬 상태가 되었다가 기저 상태로 복귀하는 과정에서 에너지를 방출합니다. 이때 형광체 내부에서 미세한 열에너지 손실이 발생하면서, 처음 흡수했던 자외선보다 에너지가 낮고 파장이 더 긴 가시광선이 방출되는 것입니다. 이것을 스토크스 이동이라고 부르며, 우리가 일상에서 보는 부드러운 흰색 빛은 바로 이 과정을 거쳐 만들어진 결과물입니다. 결과적으로 형광등은 전기 에너지를 자외선으로, 다시 자외선을 가시광선으로 바꾸는 효율적인 변환 장치인 셈입니다.