10.9. Електропровідність газів

Класична модель електропровідності газів виходить із того, що його нейтральні атоми чи молекули в певних процесах іонізуються. Ці процеси можуть передувати або відбуватися рівночасно із створенням в об'ємі газу електричного поля. Іонізація передбачає виконання деяким джерелом роботи А на виривання електронів із зовнішніх (валентних) орбіталей атомів, що входять до складу газу. Для характеристики здатності частинок газу іонізуватися, вводиться поняття потенціалу іонізації , де е заряд електрона.

Таблиця. Потенціали іонізації деяких речовин.

Атоми	H	He	O	N	Ne	Cl	Na	Hg	K	Ar
і,еВ	13.6	24.6	13.6	14.5	21.6	13.0	5.14	10.4	4.34	15.8
молекули	H2	O2	H2O	N2	NO2	Cl2	CO2	CO	HCl	NO
і,еВ	15.4	12.2	12.6	15.6	12.3	11.3	13.8	14.0	12.6	9.2

Кількісною характеристикою процесу іонізації є інтенсивність іонізації, яка визначається числом новоутворених пар різнойменних зарядів за одиницю часу. Найуживанішим процесом іонізації є ударна іонізація. В електричному полі деяка заряджена частинка, наприклад, електрон, розганяється до певних енергій і співударяється з частинкою газу. При іонізації це зіткнення носить характер не пружного удару. Запишемо закон збереження імпульсу для не пружного удару

mV = (m + M)u, (1)

де М  маса атома, m  маса ударної частинки, а V  її швидкість, u  швидкість частинки та атома після не пружного удару. Кінетична енергія частинки витрачається на роботу іонізації A_і та створення кінетичної енергії атома й частинки Mu²/2

. (2)

Підстановка значення u із (1) у (2) дає

. (3)

Звідси видно, що енергія частинки не може бути менша за роботу іонізації та вона буде тим ближча до А_і, чим менша її маса m, порівнюючи з масою атома М. Таким чином ударна іонізація можлива при виконанні умови

. (4)

Рівночасно з процесом іонізації відбувається зворотній процес  процес рекомбінації іонів та електронів  перетворення іонів у нейтральні атоми чи молекули.

10.10. Плазма

При високих температурах речовина переходить у стан, який називається плазмою. Плазма  іонізований газ, у якому об'ємні густини додатних ₊ та від'ємних _- зарядів однакові за величиною, його об'єм значно більший характерного об'єму D³, у якому спостерігається порушення рівноваги числа додатних та від'ємних зарядів. Величина D називається Дебаєвським радіусом екранування і залежить від температури плазми . Фізичним змістом Дебаєвського радіуса екранування є те, що на відстанях більших за D від іона чи електрона їх електростатичне поле екранується повністю.

Плазма називається ідеальною або газовою, якщо енергія електростатичної взаємодії двох заряджених частинок плазми на середній відстані < r > значно менша теплової енергії Е=кТ. Така плазма має властивості ідеального газу і добре описується рівнянням

p = nkT.

Відношення числа іонізованих атомів до їх загального числа у плазмі називається ступенем іонізації плазми.

Утворення плазми відбувається за рахунок термічних процесів ( ), ударної іонізації, фотоіонізації. За рахунок великої електропровідності, плазма сильно взаємодіє із зовнішніми електричними та магнітними полями. Взаємодія між частинками усередині плазми відбувається за рахунок далекодії кулонівських сил і носить колективний, а не парний характер. В цьому відношенні плазма має властивості пружного середовища, в якому збуджуються й розповсюджуються коливання в тому числі й коливання об'ємного заряду, так звані ленгмюлерівські коливання плазми.

Плазма  найбільш розповсюджений стан речовини у Всесвіті. Він утворюється за рахунок термоядерних реакцій синтезу усередині зірок, фотоіонізації у холодних туманностях та міжзоряному просторі. Радіаційні пояси Землі є також плазмою. Низькотемпературна плазма має широке застосування в прикладних областях: джерелах денного світла, реактивних двигунах, для зварювання та різання металів. Найбільші надії пов'язуються із створенням керованих термоядерних реакторів, де основним робочим середовищем є плазма з високою температурою та густиною.