Процесс отрыва электрона от атома или молекулы называется ионизацией. При этом затрачивается некоторая энергия, которую принято измерять в электрон-вольтах.

В микропроцессах газового разряда возможен не только полный отрыв электрона от молекулы, но и переход электрона на более удаленную неустойчивую орбиту. Этот процесс называется возбуждением молекулы. Возбужденная молекула «живет» в течение времени порядка t = 10^-10 с, после чего происходит обратный переход электрона на устойчивую орбиту. Для молекулы также необходимо затратить энергию, которая излучается молекулой при переходе из возбужденного состояния в устойчивое.

Значения энергии или потенциала, необходимые для ионизации U_иониз. и возбуждения U_возб. молекул разных газов приведены в табл. 1.

Таблица 1 - Первый потенциал ионизации и первый потенциал возбуждения молекул различных газов.

Газ	Uиониз., В	Uвозб., В
Азот	15,8	6,1
Водород	15,4	11,2
Гелий	24,6	19,8
Кислород	12,5	7,9

2. Виды ионизации газов

Ударная ионизация. Ионизация при столкновении молекулы с электроном, ускоренным в электрическом поле, называется ударной ионизацией. В поле напряженности Е электрон, пробегая путь Х_и, приобретает кинетическую энергию

.

Приравнивая ЕХ_и к потенциалу ионизации U_и, находим путь Х_и, который электрон должен свободно пролететь, чтобы ионизировать молекулу,

.

Аналогичный вид имеет формула для расчета пути Х_в, необходимого для возбуждения молекулы:

.

Схема ионизации молекулы при столкновении с электроном показана на рис. 1.

Рис. 1. Схема ударной ионизации

В результате ионизации возрастает число свободных электронов – происходит «размножение» электронов.

Фотоионизация возникает в результате поглощения молекулой квантов лучистой энергии, т.е. фотонов. Процесс фотоионизации схематически показан на рис. 2. Энергия фотона выражается формулой:

,

где  – частота излучения; h – постоянная Планка.

Чтобы, произошла фотоионизация должны выполняться следующие условия: ; .

Рис. 2. Схема ионизации фотона

Повышение частоты увеличивает способность фотона к ионизации. Наибольшей ионизирующей способностью обладают космические лучи, гамма излучения радиоактивного распада и световые волны ультрафиолетовой части спектра.

В газовом разряде источником фотонов, способных к ионизации, служат не только внешние излучатели, но и сами молекулы, участвующие в газовом разряде. В возбужденной молекуле электрон, смещенный на внешнюю неустойчивую орбиту, удерживается на ней в течение очень короткого времени – порядка 10^-10 с.

При возвращении электрона на устойчивую орбиту молекула излучает фотон, который способен вызвать фотоионизацию нейтральных или уже возбужденных других молекул газа. На рис. 3 показан процесс, включающий возбуждение молекулы газа в результате столкновения, излучение фотона при возврате электрона на устойчивую орбиту и ионизацию этим фотоном ранее возбужденной молекулы. Процесс ионизации вторичными фотонами играет решающую роль в формировании искрового разряда.

Рис. 3. Схема ионизации возбужденной молекулы

Термоионизация. Температура есть мера кинетической энергии хаотического (теплового) движения молекул и свободных электронов в газе. Величина этой кинетической энергии для молекулы определяется выражением

,

где W – кинетическая энергия теплового движения молекул;

Т – температура;

k – постоянная Больцмана.

Степень ионизации, т. е. отношение числа ионизированных молекул N_и к общему числу N в данном объеме газа, может быть вычислена по формуле Саха:

,

где – степень ионизации;

р – давление.

Процесс термоионизации играет определенную роль в столбе электрической дуги.

Поверхностная ионизация – это эффект испускания из электродов заряженных частиц.

В ряде случаев в развитии электрического разряда в газовом промежутке существенную роль может играть поверхностная ионизация. В металле свободные электроны находятся в электрическом поле положительных ионов, образующих кристаллическую решетку. Поверхность металла создает потенциальный барьер, который удерживает свободные электроны внутри металла. Для выхода из металла электроны должны получить энергию, достаточную для преодоления поверхностного потенциального барьера. Значение энергии выхода или значения потенциалов поверхностной ионизации U_п.и. для различных металлов приведено в табл. 2.

Таблица 2 - Потенциалы поверхностной ионизации различных металлов.

Металл	Потенциал поверхностной ионизации, В
Алюминий	1,8
Железо	3,9
Медь	3,9
Платина	3,6
Серебро	3,1

Как видно из сравнения табл. 1 и табл. 2, потенциалы поверхностной ионизации U_п.и меньше потенциалов объемной иоизации молекул газа U_и.

Электроны, высвобождающиеся в результате поверхностной ионизации с катода, силами электрического поля уводятся от катода в область газового разряда. Наоборот, при поверхностной ионизации с анода электроны вновь притягиваются к аноду и поглощаются им. Поэтому для развития газового разряда основное значение имеет поверхностная ионизация с катода.

Поверхностная ионизация с катода может иметь различные формы, которые перечисляются ниже.

Поверхностная ударная ионизация происходит под действием бомбардировки поверхности катода положительными ионами, ускоренными в электрическом поле (рис. 4). Для того, чтобы освободить из катода один электрон, т.е. для однократной поверхностной ионизации, положительный ион должен свободно пролететь в поле напряженности Е расстояние

.

Рис. 4. Схема ударной поверхностной ионизации

Поверхностная фотоионизация (фотоэлектронная эмиссия) происходит при падении на поверхность катода фотонов достаточно высокой энергии (рис.5). Для однократной поверхностной ионизации необходимо условие

h  U_п.и.

Рис. 5. Схема фотоэлектронной эмиссии

Термическая эмиссия электронов из катодов – это эмиссия, при которой свободные электроны в металле за счет нагрева приобретают энергию, достаточную для преодоления поверхностного потенциального барьера. Явление термической эмиссии широко используется в радиолампах.

Автоэлектронная эмиссия заключается в том, что электроны под действием сил электрического поля вырываются из катода. Автоэлектронная эмиссия происходит при напряженности поля вблизи катода порядка 10⁶ В/см. Такую напряженность можно создать на остриях в средах, в которых отсутствуют другие формы ионизации, например, в вакууме или масле.