3. Неупругие столкновения атомов с атомами.

3.1. Ионизация.

Чтобы вырвать электрон из атома (молекулы), необходимо затратить энергию, равную энергии его связи в атоме. Эту величину называют потенциалом ионизации . Особый интерес для разрядных процессов представляют сечения, соответствующие небольшим превышениям энергии электрона над пороговым значением . В большинстве случаев очень энергичных электронов в газе бывает мало, и потому их роль в ионизации чаще всего невелика. Впрочем, встречаются ситуации (например, в катодном слое тлеющего разряда), когда электроны достигают энергий, значительно превышающих потенциал ионизации.

В некоторых условиях существенную роль играет ионизация возбужденных атомов, составляющая заключительный акт ступенчатой ионизации (сначала электроны возбуждают атомы, потом ионизуют). Энергетических выгод это не дает, суммарная энергия возбуждения и последующей ионизации все равно равна . Но оба акта могут совершать более медленные электроны, и сечения ионизации возбужденных атомов при небольшом превышении над порогом значительно больше, чем невозбужденных.

3.2. Возбуждение электронных состояний.

Процессы эти важны как первичный этап ступенчатой ионизации, как источник потерь энергии электронов, как одна из причин свечения плазмы. Среди возбужденных атомов и молекул выделяются метастабильные частицы. Самопроизвольный переход из метастабильных состояний в нижнее энергетическое состояние, сопровождающийся излучением кванта, запрещен, т. е. имеет чрезвычайно малую вероятность. Метастабильная частица может жить долго, пока не дезактивируется ударом электрона или атома, не перейдет в более высокое состояние, не ионизуется или не погибнет на стенках.

Времена жизни метастабильных состояний по отношению к высвечиванию превышают и достигают в некоторых случаях секунд, тогда как обычные возбужденные атомы и молекулы высвечиваются через (если не будут до этого дезактивированы ударом). Особенно велика роль метастабильных частиц для процесса ступенчатой ионизации, так как они живут долго и «ожидают» ионизующего удара.

Самый нижний из не метастабильных уровней называют резонансным. Возможен такой процесс: атом излучает квант света, возвращаясь в основное состояние. Этот квант с большой вероятностью поглощается соседним атомом, поскольку происходит резонансное поглощение, и переводит его на тот же самый резонансный уровень. Второй атом излучает квант, и т. д. Так происходят блуждание (диффузия) резонансного излучения и периодическое появление и исчезновение резонансно возбужденных атомов. Процессу препятствует дезактивация (тушение) резонансно возбужденных атомов ударами второго рода.

Эффективное сечение возбуждения электронного состояния называют иногда функцией возбуждения. В зависимости от энергии электрона сечение возбуждения ведет себя в качественном отношении так же, как и сечение ионизации, только максимум располагается ближе к порогу возбуждения . Надо сказать, что измерение сечений возбуждения составляет гораздо более трудную задачу, чем исследование ионизации, поэтому данные о них значительно скуднее.