汞灯之所以会发出紫外线，核心原理在于其内部汞原子在电离和激发后，以特定波长释放能量的过程。

下面我们分步来详细解释这个过程：

1. 核心物理原理：原子能级与发光

l能级：原子中的电子不能随意占据任意位置，只能存在于一系列不连续的、特定的能量状态，这些状态被称为“能级”。

l激发：当汞灯通电后，灯管内的自由电子在电场作用下被加速，获得很高的动能。这些高速电子会与汞原子发生碰撞。

l跃迁与发光：碰撞将能量传递给汞原子，使其外层电子从较低的能级“跳跃”到较高的能级，这个过程叫做“激发”。但是，处于高能级的电子非常不稳定，它会很快（约在10⁻⁸秒内）自发地跳回较低的能级。

l光子释放：当电子从高能级跳回低能级时，两个能级之间的能量差就会以一个光子的形式释放出来。光子的能量（E）直接决定了光的波长（λ），它们之间的关系由公式 E = hc/λ 决定（其中h是普朗克常数，c是光速）。能量越高，波长越短。

2. 汞原子的特殊性：主要辐射在紫外区

汞原子有其独特的能级结构。当它的电子发生跃迁时，释放的能量恰好对应于一些特定的波长。其中最主要、最强的几条谱线都落在紫外光区域。

汞原子在放电时发出的主要特征谱线包括：

l185nm（真空紫外线）

l254nm（短波紫外线，杀菌力最强）

l365nm（长波紫外线，俗称UVA）

l以及几条可见光谱线，如 435.8nm（蓝色）， 546.1nm（绿色） 和一条 579nm（黄色）。

所以，从本质上讲，汞灯发出的光中本身就包含了大量紫外线，这是由汞原子本身的物理性质决定的。

3. 不同类型的汞灯与紫外线的处理

根据灯管材料的不同，这些紫外线会有不同的“命运”，从而形成了不同类型的汞灯：

a) 低压汞灯（如杀菌灯）

l灯管材料：使用能透过紫外线的特殊玻璃（如石英玻璃）。

l工作原理：在低压下，汞蒸气放电产生的能量主要集中在 253.7nm 和 185nm 这两条极强的紫外线上。普通玻璃会吸收这些紫外线，但石英玻璃可以让它们有效地透射出来。

l用途：直接利用这些紫外线进行杀菌消毒（253.7nm能破坏微生物的DNA/RNA）或光化学反应。

b) 高压/超高压汞灯（如照明用汞灯）

l灯管材料：使用普通硼硅玻璃。

l工作原理：

1. 在高压下，汞的谱线会变宽，并且由于原子密度增加，原子间相互作用增强，会产生连续的背景辐射。

2. 普通玻璃会强烈吸收波长小于300nm的紫外线，尤其是致命的短波紫外线。

3. 因此，虽然灯管内产生了紫外线，但玻璃外壳像一个滤镜，阻挡了大部分有害的短波紫外线，只让长波紫外线（如365nm）、可见光和少量红外线通过。

l用途：主要用于照明，但显色性较差（蓝绿色光为主）。其中的长波紫外线可用于荧光分析、诱虫等。

c) 荧光灯（最常见的应用）

l灯管结构：其内核就是一个低压汞灯，但灯管内壁涂有一层荧光粉。

l工作原理：

1. 汞蒸气放电产生的主要是 254nm 的紫外线。

2. 这束紫外线照射到荧光粉上，荧光粉吸收紫外线的能量，自身被激发。

3. 荧光粉从激发态回到基态时，会将能量以波长更长、能量更低的光（即可见光）释放出来。

l用途：通过选择不同的荧光粉配方，可以制造出“冷白光”、“暖白光”等各种颜色的荧光灯，实现了将不可见的紫外线高效地转化为可见光，用于日常照明。

总结

l根本原因：汞灯发出紫外线，是因为汞原子被激发后，电子跃迁所释放的能量恰好对应于紫外波段的波长，这是汞元素固有的物理特性。

l关键因素：灯管内的汞蒸气压强决定了紫外线的具体谱线分布。

l最终输出：灯管的材质（是否透紫外） 和是否涂有荧光粉，决定了这些紫外线是被利用、被阻挡，还是被转化为可见光。

简单来说，汞灯天生就是个“紫外线发生器”，我们通过各种技术手段来“驾驭”这些紫外线，使其服务于杀菌、照明等不同目的。