Іонізаційні процеси в газі
У відсутність зовнішнього електричного поля частки газу знаходяться в стані хаотичного (теплового) руху, постійно стикаючись з іншими частками. Якщо на одиниці довжини шляху частка випробувала Z зіткнень, то середня довжина її вільного пробігу 𝜆 рівна:
,
Значення 𝜆 залежить від концентрації часток і, отже, від тиску і температури газу. Із збільшенням тиску і зменшенням температури 𝜆 зменшується. Частки газу при тепловому русі переміщаються безладно. Наявність зовнішнього електричного поля призводить до виникнення спрямованого руху заряджених часток, якщо такі є, тобто до появи в газі електричного струму. Рухливість частки в електричному полі залежить від її маси: чим більше маса частки, тим менше її рухливість.
При розгляді процесів виникнення і зникнення заряджених часток в газі можна вважати електрони частками і не враховувати їх хвилеві властивості. Коли електрони знаходяться на найменших стаціонарних орбітах, то потенційна енергія атома мінімальна. Такий стан атома є стійким і називається нормальним. Перехід одного або декількох електронів з нормальних орбіт на віддаленіші від ядра називається збудженням атома. Енергію, необхідну для збудження, атом (молекула) може отримати при зіткненні з іншою часткою або при поглинанні короткохвильового випромінювання (фото-збудження). Час прибуття атома у збудженому стані складає ~10-10 с. Повернення атома в нормальний стан відбувається мимоволі і супроводжується випромінюванням фотона.
Коли електрон віддаляється від ядра настільки, що взаємодія його з ядром практично зникає, то електрон стає вільним. Відбувається іонізація атома, в результаті якої утворюються дві незалежні частки, : електрон і позитивний іон. Енергія, поглинена атомом, називається енергією іонізації. Енергія збудження і іонізації виражається в електронвольтах (еВ). Мінімальні енергії збудження і іонізації деяких газів, що містяться в повітрі, приведені в табл. 1.1.
Таблиця 1.1: Енергії збудження і іонізації газів
-
Газ
Мінімальна енергія, еВ
збудження
іонізації
N2
6,1
15,5
N
6,3
14,5
O
7,9
12,5
O2
9,1
13,6
H2O
7,6
12,7
Одночасно з іонізацією атомів і молекул газу відбувається процес взаємної нейтралізації заряджених часток - рекомбінація. Внаслідок дії двох протилежних чинників - іонізація і рекомбінація - встановлюється рівноважний стан, при якому в одиницю часу виникає і рекомбінує певну кількість заряджених часток. Це рівноважний стан характеризується певною мірою іонізації газу, тобто відношенням концентрації ионизованных часток до загальної концентрації часток.
,
(1.7)
де:
Kион - коефіцієнт міри іонізації газу;
nион - концентрація іонізованих часток;
NΣ - загальна концентрація часток (NΣ ≈ 1022 атомів на см3).
Газ, в якому значна частина атомів і молекул іонізована, називається плазмою (nион ≥ 1012÷1014 іони на см3).
Концентрація позитивних і негативних зарядів в плазмі приблизно однакова. Плазма - форма існування речовини при температурі приблизно 5000оС і вище.
При зіткненні електронів з нейтральним атомом або молекулою можливе захоплення ними електрона і утворення негативного іона. Гази, в яких можливе утворення негативних іонів, називаються електронегативними (кисень, хлор, пари води та ін.), а гази, в яких негативні іони не утворюються, - електропозитивними (азот, гелій).