Йонізаційні процеси в газі
У
відсутності зовнішнього електричного
поля частинки газу знаходяться в стані
хаотичного (теплового) руху, постійно
зіштовхуючись з іншими частинками. Якщо
на одиниці довжини шляху частинка
зіштовхнулася
раз, то середня довжина її вільного
пробігу
рівна:
717\* MERGEFORMAT (.)
Значення залежить від концентрації частинок та від тиску і температури газу. З підвищенням тиску і зменшенням температури зменшується. Частинки газу при тепловому русі переміщуються невпорядковано. Наявність зовнішнього електричного поля призводить до виникнення направленого напрямленого руху заряджених частинок, якщо такі є, тобто появі в газі електричного струму. Рухомість частинки залежить від її ваги: чим більша маса, тим менша її рухливість.
При розгляданні процесів виникнення і зникання заряджених частинок в газі можна вважати електрони частинками і не враховувати їх хвильові властивості. Коли електрони розташовуються на найменших стаціонарних орбітах, то потенціальна енергія атома є мінімальна. Такий стан атома є стійким і називається нормальним. Перехід одного або декілька електронів з нормальних орбіт на більш віддалені від ядра називається збудженням атома. Енергію, необхідну для збудження, атом (молекула) може отримати при зіткненні з іншою частинкою чи поглинанні короткохвильового випромінювання (фотозбудження). Час перебування атома у збудженому стані складає ~10-10 с. Повернення атома в нормальний стан відбувається самовільно і супроводжується випромінюванням фотона.
Коли електрон віддаляється від атома настільки, що взаємодія його з ядром практично зникає, то електрон стає вільним. Відбувається йонізація атома, в результаті котрої утворюються дві незалежні частини: електрон і позитивний йон. Енергія, поглинута атомом, називається енергією йонізації. Енергія збудження та йонізації вимірюється в електрон-вольтах (еВ). Мінімальні енергії збудження та йонізації деяких газів, що містяться в повітрі, наведені в табл. 1.1.
Таблиця 1.1 – Енергія збудження та йонізації газів
-
Газ
Мінімальна енергія, еВ
Збудження
Йонізації
N2
6,1
15,5
N
6,3
14,5
O
7,9
12,5
O2
9,1
13,6
H2O
7,6
12,7
Одночасно з йонізацією атомів і молекул газу відбувається процес взаємної нейтралізації заряджених частинок – рекомбінація. Внаслідок дії двох протилежних факторів – йонізації та рекомбінації – встановлюється рівноважний стан, при котрому в одиницю часу виникає і рекомбінує певна кількість заряджених частинок. Цей рівноважний стан характеризується певною мірою йонізації газу, тобто відношенням концентрації йонізованих частинок до загальної концентрації частинок.
818\* MERGEFORMAT (.)
де
- коефіцієнт міри йонізації газу;
- концентрація йонізованих частинок;
- загальна концентрація частинок (
).
Газ,
в котрому значна кількість атомів і
молекул йонізована, називається плазмою
(
йонів на см3).
Концентрація додатних і від’ємних зарядів у плазмі приблизно однакова. Плазма – форма існування речовини при температурі приблизно 5000 К та вище.
При зіткненні електронів з нейтральним атомом чи молекулою можливе захоплення ним електрона й утворення від’ємного йону. Гази, в котрих можливе утворення від’ємних йонів, називаються електронегативними (кисень, хлор, пара води і ін.), а гази, в котрих від’ємні йони не утворюються – електропозитивними (азот, гелій).