Газы и плазма.

     В обычных условиях газы состоят из нейтральных атомов или (и) молекул, такие газы практически не проводят электрический ток. Под действием космического излучения и по ряду других причин (ударная ионизация, фотоионизация, тепловая ионизация и др.) в газах могут существовать отдельно электроны, положительные ионы и отрицательные ионы.

     При этом в газе возникают носители заряда, а их направленное движение и является электрическим током. Различают при этом "электронный ток" и "ионный ток". Интересно отметить, что термодинамические свойства совокупности электронов могут быть различны (речь идет, в частности, о таком параметре состояния, как температура). Ниже рассмотрим явление термической ионизации газа.

     Если рассматривать газ как совершенный (идеальный) газ, то можно предположить, что распределение молекул газа по скоростям определяется формулой Максвелла:

     

(6.20)

     где dn - количество молекул, скорости которых лежат в пределах от v до v+dv, n₀ общее число молекул в единице объема,

     

(6.21)

     Доля молекул, обладающих энергией, которая превышает величину , определяется соотношением:

     

(6.22)

     Если газ состоит из многоатомных молекул, для "развала" которых на отдельные атомы необходима энергия , то с повышением температуры, когда будет выполнено условие, газ будет существовать в форме атомов. Если для ионизации атома необходима энергия, то для полной ионизации газа необходима температура. Например, для атома водорода энергия ионизации составляет величину 13,6 эВ, что приводит к оценке T_a>157000 K. Потенциал ионизации атомов цезия 3,86 эВ, для этого случая T_a>44600 K. Понятно, что доля молекул газа при комнатной температуре (), способных произвести ионизацию вещества ничтожно мала. В астрофизике и теории взрыва приходится рассматривать вещество в состоянии плазмы - т.е. в состоянии частично и полностью ионизованном.

     Степень ионизации газа численно равна отношению числа имеющихся в газе заряженных частиц одного знака к сумме нейтральных и заряженных частиц данного знака:

     

(6.23)

     N -число заряженных (отрицательных) частиц, N₀ число нейтральных частиц в единице объема.

     Давление частично ионизированного газа в случае малой объемной плотности газа (пренебрегаем кулоновским взаимодействием частиц) можно вычислить по формуле:

     

(6.24)

     Соображения, схожие по подходу при рассмотрении диссоциации электролитов, приводят к формуле Саха для расчета степени ионизации газа:

     

(6.25)

     здесь m_i - масса иона, m_e - масса электрона, - постоянная Планка, p - давление, Т - абсолютная температура.

      При выводе формулы Саха было использовано предположение об электронейтральности вещества, о термодинамическом равновесии между атомами, ионами и электронами, о малом влиянии кулоновского взаимодействия между заряженными частицами. В реальных условиях температуры ионов и электронов могут сильно различаться.