Ионизационные процессы в газе

В отсутствие внешнего электрического поля частицы газа на­ходятся в состоянии хаотического (теплового) движения, постоянно сталкиваясь с другими частицами. Если на единице длины пути частица испытала Z столкновений, то средняя длина ее свободного пробега равна:

. (1.6)

Значение зависит от концентрации частиц и, следовательно, от давления и температуры газа. С увеличением давления и уменьшени­ем температуры уменьшается. Частицы газа при тепловом движении перемещаются беспорядочно. Наличие внешнего электрического поля приводит к возникновению направленного движения заряженных час­тиц, если таковые имеются, т. е. к появлению в газе электрического то­ка. Подвижность частицы в электрическом поле зависит от ее массы: чем больше масса частицы, тем меньше ее подвижность.

При рассмотрении процессов возникновения и исчезновения заряженных частиц в газе можно считать электроны частицами и не учитывать их волновые свойства. Когда электроны находятся на наи­меньших стационарных орбитах, то потенциальная энергия атома ми­нимальна. Такое состояние атома является устойчивым и называется нормальным. Переход одного или нескольких электронов с нормальных орбит на более удаленные от ядра называется возбуждением атома. Энергию, необходимую для возбуждения, атом (молекула) может полу­чить при столкновении с другой частицей или при поглощении корот­коволнового излучения (фотовозбуждение). Время пребывания атома в возбужденном состоянии составляет ~10^-10 с. Возвращение атома в нор­мальное состояние происходит самопроизвольно и сопровождается из­лучением фотона.

Когда электрон удаляется от ядра настолько, что взаимодейст­вие его с ядром практически исчезает, то электрон становится свобод­ным. Происходит ионизация атома, в результате которой образуются две независимые частицы: электрон и положительный ион. Энергия, по­глощенная атомом, называется энергией ионизации. Энергия возбужде­ния и ионизации выражается в электронвольтах (эВ). Минимальные энергии возбуждения и ионизации некоторых содержащихся в воздухе газов приведены в табл. 1.1.

Таблица 1.1 Энергии возбуждения и ионизации газов.

Одновременно с ионизацией атомов и молекул газа происхо­дит процесс взаимной нейтрализации заряженных частиц — рекомби­нация. Вследствие действия двух противоположных факторов — иони­зация и рекомбинация — устанавливается равновесное состояние, при котором в единицу времени возникает и рекомбинирует определенное количество заряженных частиц. Это равновесное состояние характери­зуется определенной степенью ионизации газа, т. е. отношением кон­центрации ионизованных частиц к общей концентрации частиц.

, (1.7)

где

— коэффициент степени ионизации газа;

— концентрация ионизованных частиц;

— общая концентрация частиц ( ~ 10²² атомов на см³ ).

Газ, в котором значительная часть атомов и молекул ионизи­рована, называется плазмой ( > 10¹² 10¹⁴ ионов на см³).

Концентрация положительных и отрицательных зарядов в плазме примерно одинакова. Плазма — форма существования вещества при температуре примерно 5000 К и выше.

При столкновении электронов с нейтральным атомом или мо­лекулой возможен захват ими электрона и образование отрицательного иона. Газы, в которых возможно образование отрицательных ионов, на­зываются электроотрицательными (кислород, хлор, пары воды и др.), а газы, в которых отрицательные ионы не образуются — электроположи­тельными (азот, гелий).