1.2. Іонізаційні процеси в газі

Під час відсутності зовнішнього електричного поля частки газу перебувають у стані хаотичного (теплового) руху, постійно зіштовхуючись із іншими частками. Якщо на одиниці довжини шляхи частка випробувала Z зіткнень, то середня довжина її вільного пробігу λ дорівнює:

(1.6)

Значення λ залежить від концентрації часток і, отже, від тиску й температури газу. Зі збільшенням тиску й зменшенням температури λ зменшується. Частки газу при тепловому русі переміщаються безладно. Наявність зовнішнього електричного поля приводить 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 й зникнення заряджених часток у газі можна вважати електрони частками й не враховувати їхні хвильові властивості. Коли електрони перебувають 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 більше віддалені від ядра називається збудженням атома. Енергію, необхідну для збудження, атом (молекула) може одержати при зіткненні з іншою часткою або при поглинанні короткохвильового випромінювання (фотозбудження). Час перебування атома в збудженому стані становить ~10^-10 с. Повернення атома в нормальний стан відбувається мимовільно й супроводжується випромінюванням фотона.

Коли електрон віддаляється від ядра настільки, що взаємодія його з ядром практично зникає, то електрон стає вільним. Відбувається іонізація атома, у результаті якої утворяться дві незалежні частки: електрон і позитивний іон. Енергія, поглинена атомом, називається енергією іонізації. Енергія збудження й іонізації виражається в електронвольтах (ев). Мінімальні енергії збудження й іонізації деяких газів, що містяться в повітрі, наведені в табл. 1.1.

Таблиця 1.1

Енергії збудження й 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 факторів - іонізація й рекомбінація - установлюється рівноважний стан, при якому в одиницю часу виникає й рекомбінує певна кількість заряджених часток. Цей рівноважний стан характеризується певним ступенем іонізації газу, тобто відношенням концентрації іонізованих часток до загальної концентрації часток.

(1.7)

де

K_ион — коефіцієнт ступеня іонізації газу;

n_ион — концентрація іонізованих часток;

N_Σ — загальна концентрація часток (N_Σ ≈ 10²² атомів на див³).

Газ, у якому значна частина атомів і молекул іонізована, називається плазмою (n_ион ≥ 10¹²÷10¹⁴ іонів на див³).

Концентрація позитивних і негативних зарядів у плазмі приблизно однакова. Плазма - форма існування речовини при температурі приблизно 5000 К и вище.

При зіткненні електронів з нейтральним атомом або молекулою можливе захоплення ними електрона й утворення негативного іона. Гази, у яких можливе утворення негативних іонів, називаються електронегативними (кисень, хлор, пари води й ін.), а гази, у яких негативні іони не утворяться - електропозитивними (азот, гелій).