번개가 눈에 보이는 이유!

출처 나무위키

 

번개는 전자가 공기 분자를 통과하여 에너지를 방출합니다.번개는 구름과 구름사이 또는 구름과 지면 사이에 큰 전압차가 생기는데 이때 공기가 이온화되면서 전기가 흐를 수 있게 됩니다.

 

전자는 높은 전위에서 낮은 전위로 이동하며 이 과정에서 질소와 산소와 충돌합니다. 충돌할 때 전자는 자신의 운동 에너지의 일부를 공기 분자에 전달하고 공기 분자는 들뜬 상태가 됩니다. 

 

들뜬 상태의 공기분자는 불안정하기 떄문에 안정된 상태로 돌아가려고 하는데 이때 여분의 에너지를 방출 이 에너지는 광자(빛) 또는 열의 형태로 방출됩니다.

 

빛의 방출: 전자가 높은 에너지 준위에서 낮은 에너지 준위로 이동할 때, 그 차이만큼의 에너지가 광자(photon)로 방출됩니다. 이 광자가 우리 눈에 보이는 빛입니다.

 

열의 방출: 일부 에너지는 분자의 운동 에너지로 변환되어 주변 공기를 가열합니다.

 

번개는 공기 분자에 따라 색을 방출하는데 질소(N₂) 분자는 주로 푸른색 또는 보라색 빛을 방출하고 산소(O₂) 분자는 빨간색 또는 노란색 빛을 방출합니다.

이 빛들이 합쳐져 번개의 흰색 또는 푸른색 빛으로 보이게 됩니다.

다른 예시를 들어봅시다. LED는 발광다이오드로 빛을 내는 원리는 번개와는 다르게 고체 상태 물리학의 원리로 빛을 냅니다. 
LED는 반도체 소자로, 주로 다음과 같은 구조로 이루어져 있습니다.
P형 반도체: 양공이 많은 반도체

N형 반도체: 자유 전자(electron)가 많은 반도체

P-N 접합: P형과 N형 반도체가 만나는 경계면

LED에 전압을 가하면 전류가 흐르게 되는데, 이때 다음과 같은 과정이 일어납니다. 

전자의 이동: N형 반도체의 자유 전자가 P-N 접합을 통해 P형 반도체로 이동합니다. 

양공과의 결합: P형 반도체의 양공과 N형 반도체에서 이동한 전자가 결합합니다.

전자와 양공이 결합할 때
전자는 높은 에너지 준위에서 낮은 에너지 준위로 이동하게 됩니다.
이 과정에서 에너지 차이만큼의 에너지가 방출되는데 LED에서는 이에너지가 광자(빛)의 형태로 방출됩니다.