1.3 Збудження і іонізація атомів газу

Імовірність зіткнень електронів з атомами і молекулами газу залежить від тиску газу. Для оцінки цієї імовірності можна скористатися величиною середньої довжини вільного пробігу електрона, під якою розуміється середня відстань, яку проходить електрон від одного зіткнення до іншого.

Середня довжина вільного пробігу електрона, відповідно до висновків кінетичної теорії газів, у раз більше середнього вільного пробігу молекул газу, у якому рухається електрон, і так само, як для газових молекул, вона змінюється обернено пропорційно тиску газу, тобто , де і — середні вільні пробіги електрона при тисках і . Якщо середній вільний пробіг електронів дорівнює і відстань від катода до анода дорівнює , то відношення числа електронів, що проходять ця відстань без зіткнення з газовими частками, до всього числа електронів, що рухаються, визначається формулою

. (1.9)

Результат зіткнення електрона з атомом або молекулою газу може бути різним залежно від швидкості електрона. При дуже малих швидкостях мають місце переважно пружні зіткнення, при яких електрон, зіштовхуючись із атомом передає йому дуже малу частину своєї енергії. Змінюється тільки швидкості та їх напрямки руху, але усередині самого атома ніяких змін не робить.

При збільшенні швидкості руху вільний електрон при взаємодії з атомом передає йому більшу кількість енергії, внаслідок чого усередині атома відбуваються зміни його внутрішньої енергії. Такі зіткнення називають непружніми зіткненнями першого роду. Результатом непружнього зіткнення може бути збудження атома або його іонізація. Атом виявляється збудженим, коли один з електронів атома, одержуючи енергію із зовні, переходить від свого нормального рівня енергії до одного з можливих високоенергетичних рівнів енергії . У збудженому стані атом може існувати дуже малий час (порядку 10^-10– 10^-3с) і швидко повертається до свого нормального енергетичного стану, випускаючи квант енергії , тобто випромінюючи світло певної частоти .

Для збудження атома електрон, що зіштовхується з ним, повинен передати йому енергію, рівну різниці рівнів енергії . Електрон здобуває цю енергію, якщо пройде прискорювальну різницю потенціалів , величина називається потенціалом збудження газу.

При ще більшій швидкості електрон, зіштовхуючись із атомом, може відокремити від нього один електрон, внаслідок чого атом перетворюється в позитивний іон. Явище це називається ударною іонізацією.

Найменша енергія , який повинен володіти електрон, щоб іонізувати атом, подібно енергії збудження, різна для різних газів і виміряється величиною потенціалу іонізації.

Якщо електрон зіштовхується із уже збудженим атомом, то для іонізації цього атома потрібна енергія менша, чим для іонізації атома в нормальному стані; за рахунок такої ступінчастої (поступової) іонізації також може виникати іонізація в газі у випадку, коли прискорювальна різниця потенціалів менше потенціалу іонізації. Можливість ступінчастої (поступової) іонізації полегшується тим, що внаслідок зіткнень атомів з електронами в газі є довготривалі метастабільні рівні. Відповідно до теорії збурень, у атома можуть бути рівні енергії, з яких прямий перехід до нормального стану неможливий (метастабільне, або напівстійкий стан). Якщо внаслідок зіткнення атом перейшов у такий рівень енергії, то в ньому він може існувати відносно довгий час (тисячні і соті частки секунди), внаслідок цього виникає велика імовірність його подальшого збудження з метастабільного стану або іонізації. Такий вид взаємодії електрона з атомом отримала назву непружніх зіткнень другого роду. Наявність метастабільних рівнів в атомах збільшує імовірність ступінчастої (поступової) іонізації.

При деякій прикладеній різниці потенціалів між електродами іонного приладу виникає газовий розряд. Цей розряд може відбуватися як при розігрітому, так і при холодному катоді.