ЛЕКЦИЯ 2
РАЗДЕЛ 2
Физические процессы в ионизированных газах
2.1Явления возбуждения и ионизации атомов и молекул
2.2Виды ионизации газов
2.2.1Ударная ионизация
2.2.2Процессы вторичной ионизации
2.2.3Рекомбинация
2.2.4Термоионизация
2.1Явления возбуждения и ионизации атомов и молекул
В настоящее время все наши представления о строении материи, о свойствах вещества и о природе физических и химических явлений базируются на атомно-молекулярном учении (М.В. Ломоносов 1711-1765).
Молекула – наименьшая частица вещества, обладающая его физикохимическими свойствами. Молекулы состоят из атомов.
Атом – наименьшая частица элемента, обладающая его физикохимическими свойствами. Из опытов Резерфорда следует, что заряд ядра (выраженный в единицах заряда электрона) численно равен порядковому номеру элемента в периодической системе. Из электронейтральности атома следует, что и число вращающихся вокруг ядра электронов равно порядковому номеру элемента.
Строение электронной оболочки атома по Бору. Постулаты Бора:
1.Электрон может вращаться вокруг ядра не по любым, а только по некоторым определенным круговым орбитам. Эти орбиты получили название стационарных.
2.Двигаясь по стационарной орбите, электрон не излучает электромагнитной энергии.
3.Излучение происходит при скачкообразном переходе электрона с одной стационарной орбиты на другую. При этом испускается или поглощается квант электромагнитного излучения, энергия которого равна разности энергии атома в конечном и исходном состояниях.
1
Электронная оболочка атома упрощенно может быть представлена в виде совокупности круговых и эллиптических орбит, по которым движутся электроны вокруг положительно заряженного ядра. В нормальном состоянии электроны находятся на ближайших к ядру орбитах, потенциальная энергия атома минимальна.
Электронное возбуждение атома – процесс перехода одного или нескольких электронов на более удаленные от ядра орбиты, при сообщении атому дополнительной энергии.
Энергия, необходимая для возбуждения, равна разности энергетических уровней электрона на удаленной и нормальной орбитах. Чем большая энергия сообщается атому, тем на более удаленную от ядра орбиту переходит при возбуждении электрон.
Ионизация атома – процесс образования свободного электрона при его удалении от ядра настолько, что взаимосвязь его с ядром практически исчезает.
В результате ионизации атома образуются две частицы: положительный ион и электрон. Энергия, необходимая для ионизации атома или молекулы, называется энергией ионизации. Положительный ион может быть также ионизирован, в результате чего образуются двухзарядный ион и электрон. Однако для этого требуется существенно большая энергия.
|
Энергии возбуждения и ионизации некоторых газов |
|
Таблица 2.1 |
||||||
|
|
|
|||||||
|
Газ |
|
Wвозб, |
|
Wвозб., эВ |
|
Wионизации, эВ |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
эВ |
|
метастабильных |
атома или |
положительного |
двухзарядного |
трехзарядного |
|
|
|
|
|
состояний |
молекулы |
иона |
иона |
иона |
|
N2 |
|
6,1 |
|
6,2 |
15,6 |
- |
- |
- |
|
N |
|
6,3 |
|
2,4; 3,6 |
14,5 |
29,5 |
47,0 |
77,0 |
|
O2 |
|
7,9 |
|
1,0; 1,8 |
12,5 |
34,7 |
54,8 |
77,5 |
|
O |
|
9,1 |
|
2,0; 4,2 |
13,6 |
35 |
55,0 |
77,0 |
|
H2 |
|
11,2 |
|
- |
15,4 |
- |
- |
- |
|
H |
|
10,2 |
|
- |
13,6 |
- |
- |
- |
|
CO2 |
|
10 |
|
- |
13,7 |
- |
- |
- |
|
H2O |
|
7,6 |
|
- |
12,8 |
- |
- |
- |
Важную роль в процессах ионизации играют так называемые метастабильные состояния атомов или молекул. Время жизни частицы в возбужденном метастабильном состоянии 10-4 с и более. За это время частица может получить дополнительную энергию и быть ионизированной. Такой процесс называется ступенчатой ионизацией.
2
2.2 Виды ионизации газов
1.Ударная
2.Процессы вторичной ионизации:
-освобождение электронов при бомбардировке катода положительными ионами;
-фотоионизация в объеме газа и на катоде
3.Рекомбинация
4.Термоионизация
2.2.1.Ударная ионизация
Величина кинетической энергии, приобретаемой электроном под действием электрического поля, определяется уравнением:
Wэ = eEx , |
(2.1) |
где e – заряд электрона (1,6·10-19 Кл)
E – напряженность электрического поля
x – расстояние, пролетаемое электроном в направлении поля.
При столкновении электрона, обладающего кинетической энергией Wэ, с нейтральной частицей возможен процесс ионизации или возбуждения последней в зависимости от величины Wэ.
Wэ> Wи – при столкновении электрона с нейтральной частицей произойдет ионизация (Wи – энергия ионизации для данного газа);
Wэ< Wи – возможно возбуждение частицы, а при столкновении с возбужденной частицей, находящейся в метастабильном состоянии, такой электрон может участвовать в процессе ступенчатой ионизации.
Тогда из (2.1) расстояние, которое должен пролететь электрон чтобы накопить достаточную для ионизации энергию:
xи = |
Wи |
= |
Uи |
(2.2) |
|
eE |
E |
||||
|
|
|
Число столкновений z, испытываемых частицей на пути в 1см, пропорциональна концентрации частиц газа. Величина, обратная числу столкновений λ=1/ z представляет собой среднюю длину свободного пробега электрона. Если принять для простоты рассуждений, что путь xи электрон пролетает без столкновений, то это означает, что энергия Wи набирается за один пробег электрона.
Вероятность того, что длина свободного пробега электрона равна или больше xи, составляет:
3