4.3. Электропроводность газов

Работа ионизации. Газы в отличие от металлов и электролитов состоят из электрически нейтральных атомов и молекул, т. е. не содержат свободных заряженных частиц − носителей тока, способных приходить в упорядоченное движение под действием электрического поля. Следовательно, при обычных условиях газы не проводят электрический ток. Газ становится проводником, если часть его молекул ионизировать, т. е. расщепить на свободные электроны и положительные ионы. В газе могут образовываться и отрицательные ионы вследствие присоединения части освободившихся электронов к нейтральным молекулам газа.

Атомы и молекулы − устойчивые системы заряженных частиц. Поэтому для ионизации атома (или молекулы) газа необходимо совершить работу ионизации А_и. Работа ионизации зависит от химической природы газа и энергетического состояния вырываемого электрона в ионизируемом атоме или молекуле. Наиболее слабо связаны в атоме внешние (валентные) электроны. Поэтому для удаления из атома валентного электрона нужно затратить меньшую работу, чем для вырывания любого другого электрона атома. После удаления из атома валентного электрона и образования таким образом положительного иона прочность связи остальных электронов возрастает. Следовательно, для удаления из однократно ионизированного атома (одновалентного иона) еще одного электрона нужно совершить работу, которая значительно больше работы отрыва первого электрона. Так, например, работа ионизации атома азота (N) равна 14,5 эВ, а его одновалентного иона (N⁺) − 29,6 эВ, двухвалентного иона (N^{+ +}) − 47,4 эВ и т. д.

Работу ионизации можно характеризовать с помощью потенциала ионизации.

Потенциалом ионизации _и называется разность потенциалов, которую должен пройти электрон в ускоряющем электрическом поле, чтобы увеличение его энергии было равно работе ионизации.

Из (1.32) следует, что

. (4.4)

Значения потенциалов ионизации некоторых атомов и молекул приведены в табл. 4.1.

Таблица 4.1

Атомы	H	He	O	Na	K	Ar
и, В	13,6	24,6	13,6	5,14	4,34	15,8
Молекулы	H2	O2	H2O	N2	CO2	CO
и, В	15,4	12,2	12,6	15,6	13,8	14,0

Ионизация газа может происходить под влиянием различных внешних воздействий − сильного нагрева газа, рентгеновского излучения, гамма-излучения, бомбардировки молекул газа быстро движущимися электронами, ионами, нейтронами и другими частицами. Количественной характеристикой процесса ионизации служит интенсивность ионизации, равная числу пар противоположных по знаку заряженных частиц, возникающих в единице объема газа за единицу времени.

В обычных условиях газ подвергается действию космического и радиоактивного излучений. Поэтому, строго говоря, проводимость газа никогда не равна нулю: в нем всегда имеются свободные заряженные частицы. Однако интенсивность ионизации в результате этого очень мала. Поэтому проводимость газов в естественных условиях хотя и не равна нулю, но очень мала, однако она играет существенную роль в возникновении заметной проводимости газов в достаточно сильных электрических полях.

Рассмотрим подробнее процесс ионизации газа под действием быстро движущихся электронов, ионов и других частиц, получивший название ударной ионизации. Для простоты будем считать, что газ − одноатомный. При столкновении частицы с нейтральным атомом газа она передает ему часть своей энергии. Если кинетическая энергия частицы сравнительно мала, то, как показывают опыты, ее соударение с атомом является упругим. Энергия, сообщаемая атому в этом случае, недостаточна для его ионизации. Бомбардировка атомов газа такими частицами вызывает лишь нагревание газа.

Совершенно иначе происходят соударения с атомами газа частиц, кинетическая энергия которых достаточно велика. В этом случае, как показывают опыты, соударения становятся неупругими и вызывают возбуждение атомов газа, т. е. перевод атома из нормального энергетического состояния в состояние с повышенной энергией, или даже ионизацию атома.

Оценим минимальное значение кинетической энергии, которой должна обладать частица для того, чтобы вызвать ударную ионизацию атома газа. Скорость теплового движения молекул во много раз меньше скорости ионизирующей частицы. Поэтому можно считать, что до удара атом неподвижен. Полагая, что скорость v ионизирующей частицы во много раз меньше скорости света в вакууме, а масса частицы равна m и применяя закон сохранения импульса при неупругом ударе к столкновению частицы с атомом, получим

, (4.5)

где М масса атома; u − скорость частицы и атома после удара. При этом приближенно считается, что скорость электрона, выбитого из атома, тоже равна u.

Начальная кинетическая энергия частицы расходуется при ударе на работу ионизации А_и и сообщение атому и частице кинетической энергии, соответствующей их скорости и после удара:

. (4.6)

Подставив в (4.6) значение и, найденное из (4.5), получим

(4.7)

Таким образом, минимальная кинетическая энергия, которой должна обладать частица для осуществления ударной ионизации атома газа, не может быть меньше работы ионизации А_и и будет тем ближе к А_и, чем меньше масса частицы по сравнению с массой атома. Для электрона эта энергия меньше, чем для любого иона. В одном и том же ускоряющем электрическом поле электрон и одновалентный ион приобретают одинаковую кинетическую энергию . Поэтому для осуществления ударной ионизации ионы должны пройти в ускоряющем электрическом поле большую разность потенциалов , чем электроны.

Одновременно с ионизацией газа в его объеме происходит и обратный процесс рекомбинации ионов и электронов в нейтральные частицы − атомы и молекулы.