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 зворотньопропорційно тиску газу, тобто, деі— середні вільні пробіги електрона при тискахі. Якщо середній вільний пробіг електронів дорівнюєі 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 тільки пружні зіткнення, при яких електрон, зіштовхуючись із атомом передає йому дуже малу частину своєї енергії. Змінюється тільки швидкості та їх напрямки, але усередині самого атома ніяких змін не робить.

При збільшенні швидкості руху електрон при ударі об атом передає йому більшу кількість енергії, внаслідок чого усередині атома відбуваються деякі зміни; такі зіткнення називаються 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, величинаназивається 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 потенціалуіонізації.

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 східчастої (поступової) іонізації може іноді виникати іонізація в газі у випадку, коли прискорювальна різниця потенціалів менше потенціалу іонізації. Можливість східчастої (поступової) іонізації полегшується тим, що внаслідок зіткнень атомів з електронами в газі є так звані метастабільні атоми. Відповідно до теорії атома, у ньому можуть бути такі рівні енергії, з яких прямий перехід до нормального стану неможливий (метастабільне, або напівстійкий стан); якщо внаслідок зіткнення атом придбав такий рівень енергії, то для переходу до нормального рівня потрібно попередньо підняти його електрон на більше високий рівень енергії, з якого прямий перехід до нормального стану можливий. У метастабільному стані атоми можуть існувати відносно довгий час (тисячні і соті частки секунди), внаслідок чого велика імовірність їхньої східчастої (поступової) іонізації. Наявність метастабільних рівнів в атомах збільшує і імовірність непружніх зіткнень другого роду, що відбуваються в тому випадку, коли збуджений атом, зіштовхуючись із електроном або іншим атомом, віддає цій частинці свою енергію.

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