Ионизация газов.
Газы в естественном состоянии не проводят электричества. Если поместить в сухом атмосферном воздухе хорошо изолированное заряженное тело, например заряженный электрометр с хорошей изоляцией, то заряд электрометра долгое время практически остается неизменным.
Однако, подвергая газ различным внешним воздействиям, можно вызвать в нем электропроводность. Так, например, помещая вблизи заряженного электрометра пламя горелки, можно видеть, что заряд электрометра быстро уменьшается. Мы сообщили газу электропроводность, создавая в нем высокую температуру. Если бы вместо пламени горелки мы поместили вблизи электрометра подходящий источник света, мы также наблюдали бы утечку зарядов с электрометра.
Это показывает, что в газах под влиянием высокой температуры и различных излучений появляются заряженные частицы. Они возникают потому, что от атомов газа отщепляется один или несколько электронов, в результате чего вместо нейтрального атома возникают положительный ион и электроны. Часть образовавшихся электронов может быть при этом захвачена другими нейтральными атомами, и тогда появятся еще и отрицательные ионы.
Отрыв электрона от атома (ионизация атома) требует затраты определенной энергии - энергии ионизации. Она зависит от строения атома и поэтому различна для разных веществ.
После прекращения действия ионизатора число ионов в газе с течением времени уменьшается и конце концов ионы исчезают вовсе. Исчезновение ионов объясняется тем, что ионы и электроны участвуют в тепловом движении и поэтому соударяются друг с другом. При столкновении положительного иона и электрона они воссоединяются в нейтральный атом. Точно так же при столкновении положительного и отрицательного ионов отрицательный ион может отдать свой избыточный электрон положительному иону и оба они превратятся в нейтральные атомы. Это процесс взаимной ионизации ионов называется рекомбинацией ионов.
При рекомбинации положительного иона и электрона или двух ионов высвобождается определенная энергия, равная энергии, затраченной на ионизацию. Она излучается в виде света, и поэтому рекомбинация ионов сопровождается свечением (свечение рекомбинации). Если концентрация положительных и отрицательных ионов велика, то и число ежесекундно происходящих актов рекомбинации будет большим, и свечение рекомбинации может быть очень сильным. Излучение света при рекомбинации является одной из причин свечения многих форм газового разряда.
Ионизация электронными ударами.
В явлениях электрического разряда в газах большую роль играет ионизация атомов электронными ударами. Процесс заключается в том, что движущийся электрон, обладающий достаточной кинетической энергией, при соударении с нейтральным атомом выбивает из него один или несколько атомных электронов, в результате чего нейтральный атом превращается в положительный ион, а в газе появляются новые электроны.
Схема типичного опыта для изучения ионизации электронными ударами показана на рис. 1 (опыты Джеймса Франка и Густава Герца). Исследуемый газ при давлении порядка 0,1 - 0,01 мм рт.ст. вводится в стеклянную трубку, которая сначала откачивается до высокого вакуума (для удаления других газов). Трубка имеет накаливаемый катод К, сетку С и коллектор ионов Кл. На сетку подается положительный ( относительно катода) потенциал, который можно изменять при помощи делителя напряжения Д1 и измерять вольтметром V. На коллектор ионов накладывается отрицательный потенциал, на 0,5 - 1,0 В больший, чем потенциал катода. Эта небольшая разность потенциалов снимается с делителя напряжения Д2, положительный конец которого соединен с катодом.
Расстояние катод-сетка в таких трубках делают значительно меньшим, чем расстояние сетка-коллектор, и подбирают давление газа так, чтобы средняя длина свободного пробега электронов в газе была больше расстояния между сеткой и катодом. Поэтому электроны, испущенные катодом, движутся в пространстве катод-сетка практически без соударений, и если разность потенциалов (выраженная в вольтах), между сеткой и катодом равна U , то каждый электрон приобретает кинетическую энергию (выраженную в электронвольтах). Электроны, ускоренные сеткой, испытывают затем соударения с атомами газа в пространстве между сеткой и коллектором.
Так как потенциал коллектора ниже, чем потенциал катода, то в отсутствии ионизации все электроны тормозятся, не долетая до коллектора, и поэтому ток через гальванометр равен нулю. Если, однако, постепенно повышать разность потенциалов Uмежду сеткойи катодом , то, когда энергия электронов сделается равной энергии ионизации, то в пространстве сетка - коллектор появятся положительный ионы. Поэтому, измеряя наименьший потенциал сетки U, при котором впервые появляется ток коллектора, можно найти энергию ионизацию атомов исследуемого газа.
Метод Франка и Герца не является единственным методом измерения энергии ионизации. Она может быть определена также из исследования линейчатых спектров свечения разреженных газов и паров, причем с довольно большой точностью. Значения энергии ионизации, найденные по спектрам, хорошо совпадают с ее значениями, определенными методом электронных ударов.
В таблице даны значения энергии ионизации некоторых атомов.
| Элемент | He | Ne | Ar | Hg | Na | K | Rb |
| Энергия ионизации, эВ | 24.5 | 21.5 | 13.9 | 10.4 | 5.12 | 4.32 | 4.68 |
Самостоятельные и несамостоятельные разряды.
Рассмотрим цепь, содержащую источник напряжения, газовый промежуток и переменное сопротивление r , которое можно измерять в широких пределах (рис.2). Цепь содержит также амперметр А и вольтметр V. Предположим сначала, что на газовый промежуток воздействует какой-либо ионизатор, например, ультрафиолетовые лучи, падающие на отрицательный электрод и освобождающие из него фотоэлектроны. От этого газ приобретает некоторую электропроводность и в цепи появится ток. Если плавно уменьшать сопротивление r в цепи газового промежутка, то сила тока будет сначала увеличиваться, что связано с увеличением напряжения между электродами и объясняется уменьшением пространственного заряда между ними. При дальнейшем уменьшении сопротивления напряжение на электродах достигнет такого значения, при котором все образующиеся ионы доходят до положительного электрода. И мы получим ток насыщения is, сила которого зависит только от интенсивности ионизатора (рис.3). Наблюдаемые при этом токи очень малы (обычно микроамперы и меньше, в зависимости от интенсивности ионизатора).
Если в оном из режимов разряда, изображаемых ветвью характеристики Оа, прекратить действие ионизатора, то и разряд прекращается. Подобные разряды, существующие только при действии внешнего ионизатора, получили название несамостоятельных газовых разрядов.
Если продолжать уменьшать сопротивление цепи r , то ток через разрядный промежуток начинает сильно возрастать, хотя напряжение повышается сравнительно мало. Это соответствует участку характеристики аб (рис.3). Возрастание тока на участке характеристики аб показывает, что в газовом промежутке появляются новые ионы.
Если еще уменьшить сопротивление r, то разряд приобретает совсем другой характер. Сила тока в разряде резко возрастает (в сотни и тысячи раз) и в газе появляются сильно выраженные световые и тепловые эффекты. Ели теперь прекратить действие ионизатора, то разряд продолжается. Это значит, что ионы, необходимые для поддержания электропроводности газа, создаются самим разрядом в результате процессов, происходящих в разряде. Такие газовые разряды называют самостоятельными разрядами. Напряжение, при котором возникает самостоятельный разряд, называется напряжениемпробоя газового промежутка или напряжениемзажигания газового разряда.
В зависимости от того, какие именно процессы образования ионов в разряде играют главную роль, мы говорим о различных формах или типах самостоятельных разрядов. Так, например, различают коронный, искровой, дуговой, тлеющий и другие разряды. Эти разряды отличаются друг от друга свойствами и внешним видом.
Искровой разряд.
Если постепенно увеличивать напряжение между двумя электродами, находящимися в атмосферном воздухе и имеющими такую форму, что электрическое поле между ними не слишком сильно отличается от однородного (например, два плоских электрода с закругленными краями или два достаточно больших шара), то при некотором напряжении возникает электрическая искра. Она имеет вид ярко светящегося канала, соединяющего оба электрода, который обычно бывает сложным образом изогнут и разветвлен (рис 4).
Рис.4
Электрическая искра возникает в том случае, если электрическое поле в газе достигает некоторого определенного значения Ек (критическая напряженность поля) или напряженность пробоя. Для воздуха при нормальных условиях Ек » 3*106 В/м
Значение Ек увеличивается с увеличением давления. Отношение критической напряженности поля к давлению газа р для данного газа остается приблизительно постоянным в широкой области изменения давлений:
Ек/р »const
Напряжение пробоя понижается при воздействии на газ внешнего ионизатора. Если приложить к газовому промежутку напряжение, несколько меньшее пробойного, и внести в пространство между электродами зажженную газовую горелку, то возникает искра. Такое же действие оказывает и освещение отрицательного электрода ультрафиолетовым светом, а также другие ионизаторы.