Ионизационные процессы в газах реферат

Обновлено: 30.06.2024

Положительные ионы практически не могут ионизировать молекулы газа по ряду причин: малая подвижность; значительно меньшие, чем у электронов, длины свободного пробега. Частота ионизаций положительными ионами в раз меньше, чем электронами. Однако положительные ионы, бомбардируя катод, могут освобождать из него электроны. В процессе ионизации газа возникает большое количество возбужденных частиц, которые, переходя в нормальное состояние, испускают фотоны. Если энергия фотона превышает энергию ионизации

где n -частота излучения; h =4,15 эВс -постоянная Планка, то при поглощении его атомом или молекулой освобождается электрон, происходит акт фотоионизации газа. В воздухе фотоионизация происходит в сильных электрических полях, когда становится возможным возбуждение положительных ионов, и при переходе их в невозбужденное состояние излучаются фотоны с достаточно высокой энергией. Энергия излучаемых фотонов выше работы выходя электронов из катода, поэтому в воздухе эффективна фотоионизация на катоде. Оба фотоионизационных процесса - в объеме газа и на катоде - играют важную роль в развитии разряда в воздухе. Фотоионизация в объеме газа и на катоде, а также освобождение электронов при бомбардировке катода положительными ионами происходят как следствие ударной ионизации. Эти процессы называются процессами вторичной ионизации. Соответственно, появившиеся в результате этих процессов электроны называются вторичными. Число вторичных электронов пропорционально числу актов ударной ионизации. Коэффициент пропорциональности g называется коэффициентом вторичной ионизации. Значение g зависит от природы и давления газа, материала катода и напряженности электрического поля, а также оттого, какой процесс вторичной ионизации превалирует. Одновременно с ионизацией происходит процесс взаимной нейтрализации заряженных частиц, называемый рекомбинацией. Число рекомбинаций, происходящих в 1 см газа за единицу времени, пропорционально их концентрациям. Избыток энергии выделяется в виде излучения При значительном повышении температуры газа кинетическая энергия нейтральных частиц возрастает настолько, что становится возможной ионизация при их столкновении - термоионизация. Газ, в котором значительная часть частиц ионизирована, называется плазмой. Концентрации положительно и отрицательно заряженных частиц в плазме примерно одинаковы. Плазма представляет собой форму существования вещества при высоких температурах.

При столкновении нейтрального атома или молекулы с частицей, движущейся с большой скоростью (чаще всего это электрон) может произойти отрыв электрона от нейтрального атома или молекулы с образованием свободного электрона и положительного иона. Этот эффект называется ударной ионизацией, и он происходит, если кинетическая энергия ионизирующей частицы превышает энергию, необходимую для отрыва электрона (энергию ионизации), Wкин≥Wи. При таком процессе концентрация свободных зарядов увеличивается и растет электрический ток.

______________________________________________________________

12 Лавины электронов и условия самостоятельного разряда в газах.

Рассмотрим промежуток между двумя электродами в газе. Если в этом промежутке появился электрон, то, двигаясь к аноду, при достаточной напряженности электрического поля он может при столкновении ионизировать молекулу газа. Образовавшийся при этом свободный электрон вместе с начальным ионизирует новые молекулы. Число свободных электронов будет непрерывно возрастать. Процесс нарастания числа электронов, движущихся в электрическом поле по направлению к аноду, получил название лавины электронов.В процессе ионизации одновременно с электронами образуются положительные ионы. Вследствие значительной разницы в подвижностях электронов и ионов за время движения лавины до анода положительные ионы практически остаются на месте их возникновения. В природе постоянно действуют такие ионизаторы, как космические частицы, радиоактивное излучение Земли, ультрафиолетовое излучение Солнца. Благодаря им в промежутке между электродами непрерывно возникают свободные электроны. Под действием приложенного к промежутку напряжения в нем будут непрерывно образовываться лавины электронов. Движение заряженных частиц в промежутке создает ток разряда между электродами. Если исключить действие внешнего ионизатора, ток в промежутке прекратится. Такой процесс называется несамостоятельным разрядом. Для того, чтобы разряд стал самостоятельным и мог существовать в отсутствие внешнего ионизатора, необходимо, чтобы в результате развития первоначальной лавины появлялся по крайней мере один вторичный электрон, способный создать новую лавину. Таким образом, условие самостоятельности разряда можно записать в общем виде как

(8)или в случае однородного поля

где L - расстояние между электродами. В резконеоднородном электрическом поле условие самостоятельности разряда выполняется в очень узкой зоне вблизи электрода. Это означает, что ионизационные процессы концентрируются в этой зоне и создают характерное свечение, называемое коронным разрядом иликороной. В процессе развития лавины непрерывно увеличивается число электронов и положительных ионов, при этом напряженность электрического поля на фронте лавины возрастает, а в задней ее части уменьшается. В какой-то момент напряженность в задней части лавины уменьшается настолько, что становится невозможной ударная ионизация. Находящиеся в хвосте лавины отставшие электроны вместе с положительными ионами создают плазменное образование, дающее начало возникновению стримерного канала. Характерной особенностью стримера является наличие избыточного заряда на конце, создающего местное усиление электрического поля и обеспечивающего непрерывное удлинение плазменного канала. С ростом приложенного к промежутку напряжения длина стримера увеличивается и возрастает емкость между стримером и противоположным электродом. Это приводит к увеличению тока в канале стримера и разогреву его до температуры, достаточной для термической ионизации. Термически ионизированная часть канала стримера называется лидером.Концентрация заряженных частиц в канале лидера значительно выше, чем в стримере, поэтому падение напряжения на нем меньше. В связи с этим у стримера, часть канала которого преобразовалась в лидер, потенциал головки возрастает и создаются условия для продвижения стримера до противоположного электрода и преобразования этого стримера в лидер.

______________________________________________________________

Газы в естественном состоянии не проводят электричества. Если поместить в сухом атмосферном воздухе хорошо изолированное заряженное тело, например заряженный электрометр с хорошей изоляцией, то заряд электрометра долгое время практически остается неизменным.

Однако, подвергая газ различным внешним воздействиям, можно вызвать в нем электропроводность. Так, например, помещая вблизи заряженного электрометра пламя горелки, можно видеть, что заряд электрометра быстро уменьшается. Мы сообщили газу электропроводность, создавая в нем высокую температуру. Если бы вместо пламени горелки мы поместили вблизи электрометра подходящий источник света, мы также наблюдали бы утечку зарядов с электрометра.

Это показывает, что в газах под влиянием высокой температуры и различных излучений появляются заряженные частицы. Они возникают потому, что от атомов газа отщепляется один или несколько электронов, в результате чего вместо нейтрального атома возникают положительный ион и электроны. Часть образовавшихся электронов может быть при этом захвачена другими нейтральными атомами, и тогда появятся еще и отрицательные ионы.

Отрыв электрона от атома (ионизация атома) требует затраты определенной энергии - энергии ионизации. Она зависит от строения атома и поэтому различна для разных веществ.

После прекращения действия ионизатора число ионов в газе с течением времени уменьшается и конце концов ионы исчезают вовсе. Исчезновение ионов объясняется тем, что ионы и электроны участвуют в тепловом движении и поэтому соударяются друг с другом. При столкновении положительного иона и электрона они воссоединяются в нейтральный атом. Точно так же при столкновении положительного и отрицательного ионов отрицательный ион может отдать свой избыточный электрон положительному иону и оба они превратятся в нейтральные атомы. Это процесс взаимной ионизации ионов называется рекомбинацией ионов .

При рекомбинации положительного иона и электрона или двух ионов высвобождается определенная энергия, равная энергии, затраченной на ионизацию. Она излучается в виде света, и поэтому рекомбинация ионов сопровождается свечением (свечение рекомбинации). Если концентрация положительных и отрицательных ионов велика, то и число ежесекундно происходящих актов рекомбинации будет большим, и свечение рекомбинации может быть очень сильным. Излучение света при рекомбинации является одной из причин свечения многих форм газового разряда.

Ионизация электронными ударами.

В явлениях электрического разряда в газах большую роль играет ионизация атомов электронными ударами. Процесс заключается в том, что движущийся электрон, обладающий достаточной кинетической энергией, при соударении с нейтральным атомом выбивает из него один или несколько атомных электронов, в результате чего нейтральный атом превращается в положительный ион, а в газе появляются новые электроны.

Схема типичного опыта для изучения ионизации электронными ударами показана на рис. 1 (опыты Джеймса Франка и Густава Герца). Исследуемый газ при давлении порядка 0,1 - 0,01 мм рт.ст. вводится в стеклянную трубку, которая сначала откачивается до высокого вакуума (для удаления других газов). Трубка имеет накаливаемый катод К , сетку С и коллектор ионов Кл. На сетку подается положительный ( относительно катода) потенциал, который можно изменять при помощи делителя напряжения Д₁ и измерять вольтметром V . На коллектор ионов накладывается отрицательный потенциал, на 0,5 - 1,0 В больший, чем потенциал катода. Эта небольшая разность потенциалов снимается с делителя напряжения Д₂ , положительный конец которого соединен с катодом.

Расстояние катод-сетка в таких трубках делают значительно меньшим, чем расстояние сетка-коллектор, и подбирают давление газа так, чтобы средняя длина свободного пробега электронов в газе была больше расстояния между сеткой и катодом. Поэтому электроны, испущенные катодом, движутся в пространстве катод-сетка практически без соударений, и если разность потенциалов (выраженная в вольтах), между сеткой и катодом равна U , то каждый электрон приобретает кинетическую энергию (выраженную в электронвольтах). Электроны, ускоренные сеткой, испытывают затем соударения с атомами газа в пространстве между сеткой и коллектором.

Так как потенциал коллектора ниже, чем потенциал катода, то в отсутствии ионизации все электроны тормозятся, не долетая до коллектора, и поэтому ток через гальванометр равен нулю. Если, однако, постепенно повышать разность потенциалов U между сеткойи катодом , то, когда энергия электронов сделается равной энергии ионизации, то в пространстве сетка - коллектор появятся положительный ионы. Поэтому, измеряя наименьший потенциал сетки U , при котором впервые появляется ток коллектора, можно найти энергию ионизацию атомов исследуемого газа.

Метод Франка и Герца не является единственным методом измерения энергии ионизации. Она может быть определена также из исследования линейчатых спектров свечения разреженных газов и паров, причем с довольно большой точностью. Значения энергии ионизации, найденные по спектрам, хорошо совпадают с ее значениями, определенными методом электронных ударов.

В таблице даны значения энергии ионизации некоторых атомов.

Элемент	He	Ne	Ar	Hg	Na	K	Rb
Энергия ионизации, эВ	24.5	21.5	13.9	10.4	5.12	4.32	4.68

Самостоятельные и несамостоятельные разряды.

Рассмотрим цепь, содержащую источник напряжения, газовый промежуток и переменное сопротивление r , которое можно измерять в широких пределах (рис.2). Цепь содержит также амперметр А и вольтметр V . Предположим сначала, что на газовый промежуток воздействует какой-либо ионизатор, например, ультрафиолетовые лучи, падающие на отрицательный электрод и освобождающие из него фотоэлектроны. От этого газ приобретает некоторую электропроводность и в цепи появится ток. Если плавно уменьшать сопротивление r в цепи газового промежутка, то сила тока будет сначала увеличиваться, что связано с увеличением напряжения между электродами и объясняется уменьшением пространственного заряда между ними. При дальнейшем уменьшении сопротивления напряжение на электродах достигнет такого значения, при котором все образующиеся ионы доходят до положительного электрода. И мы получим ток насыщения i_s , сила которого зависит только от интенсивности ионизатора (рис.3). Наблюдаемые при этом токи очень малы (обычно микроамперы и меньше, в зависимости от интенсивности ионизатора).

Если в оном из режимов разряда, изображаемых ветвью характеристики Оа , прекратить действие ионизатора, то и разряд прекращается. Подобные разряды, существующие только при действии внешнего ионизатора, получили название несамостоятельных газовых разрядов.

Если продолжать уменьшать сопротивление цепи r , то ток через разрядный промежуток начинает сильно возрастать, хотя напряжение повышается сравнительно мало. Это соответствует участку характеристики аб (рис.3). Возрастание тока на участке характеристики аб показывает, что в газовом промежутке появляются новые ионы.

Если еще уменьшить сопротивление r , то разряд приобретает совсем другой характер. Сила тока в разряде резко возрастает (в сотни и тысячи раз) и в газе появляются сильно выраженные световые и тепловые эффекты. Ели теперь прекратить действие ионизатора, то разряд продолжается. Это значит, что ионы, необходимые для поддержания электропроводности газа, создаются самим разрядом в результате процессов, происходящих в разряде. Такие газовые разряды называют самостоятельными разрядами. Напряжение, при котором возникает самостоятельный разряд, называется напряжением пробоя газового промежутка или напряжением зажигания газового разряда.

В зависимости от того, какие именно процессы образования ионов в разряде играют главную роль, мы говорим о различных формах или типах самостоятельных разрядов. Так, например, различают коронный, искровой, дуговой, тлеющий и другие разряды. Эти разряды отличаются друг от друга свойствами и внешним видом.

Искровой разряд.

Если постепенно увеличивать напряжение между двумя электродами, находящимися в атмосферном воздухе и имеющими такую форму, что электрическое поле между ними не слишком сильно отличается от однородного (например, два плоских электрода с закругленными краями или два достаточно больших шара), то при некотором напряжении возникает электрическая искра. Она имеет вид ярко светящегося канала, соединяющего оба электрода, который обычно бывает сложным образом изогнут и разветвлен (рис 4).

Значение Ек увеличивается с увеличением давления. Отношение критической напряженности поля к давлению газа р для данного газа остается приблизительно постоянным в широкой области изменения давлений:

Напряжение пробоя понижается при воздействии на газ внешнего ионизатора. Если приложить к газовому промежутку напряжение, несколько меньшее пробойного, и внести в пространство между электродами зажженную газовую горелку, то возникает искра. Такое же действие оказывает и освещение отрицательного электрода ультрафиолетовым светом, а также другие ионизаторы.

Для объяснения искрового разряда вначале казалось естественным предположить, что основными процессами в искре являются ионизация электронными ударами в объеме и ионизация положительными ионами (в объеме или на катоде). Однако впоследствии выяснилось, что эти процессы не могут объяснить многие особенности образования искры. Остановимся для примера на скорости развития искрового заряда. Если бы в искре существенную роль играла ионизация положительными ионами, то время развития искры было бы по крайней мере того же порядка, что и время перемещения положительных ионов от анода до катода. Это время легко оценить - оно оказывается порядка 10 -4 - 10 -5 с. Между тем, опыт показывает, что время ее развития на несколько порядков меньше.

Объяснение большой скорости развития искры дано так называемой стримерной теорией искры, в настоящее время обоснованной экспериментальными данными. Согласно этой теории, возникновению ярко светящегося канала искры предшествует появление слабо светящихся скоплений ионизированных частиц (стримеров). Пронизывая газоразрядный промежуток, стримеры образуют проводящие мостики, по которым в последующие стадии разряда и устремляются мощные потоки электронов. Причиной возникновения стримеров является не только образование электронных лавин посредством ударной ионизации, но еще и ионизация газа излучением, возникающим в самом разряде (фотоионизация).

Наряду со стримерами, распространяющимися от катода к аноду (отрицательные стримеры), существуют также стримеры, движущиеся от анода к катоду (положительные стримеры).

Молния как пример искрового разряда.

Молния представляет собой гигантскую электрическую искру. Электрическая природа молнии была впервые доказана известными опытами Франклина с воздушным змеем и многочисленными исследованиями Ломоносова и Рихмана. Ломоносов создал первую теорию возникновения электрических разрядов в атмосфере и этим положил начало науки об атмосферном электричестве.

Молнии возникают либо между облаками, либо между облаком и землей. Сила тока в молнии огромна (от 10 до 1000 кА), а напряжение между облаком и землей перед возникновением молнии достигает 10 8 до 10 9 В. Длительность отдельного разряда порядка микросекунды. Поэтому общий заряд, переносимый отдельной молнией, обычно невелик (0,1 - 10 Кл). Число разрядов молнии может достигать нескольких десятков, а общая длительность - 1 секунду.

Кроме обычных молний, наблюдаются так называемые шаровые молнии. Они имеют вид светящихся шаров диаметром 10-20 см, которые либо медленно движутся, либо прикрепляются к неподвижным предметам. Шаровые молнии обычно зарождаются при ударе очень сильных молний и через несколько секунд исчезают с сильным взрывом.

Коронный разряд.

Разряд, получивший такое название, наблюдается при сравнительно высоких давлениях газов в сильно неоднородном поле. Для получения значительной неоднородности поля электроды должны иметь очень неодинаковую поверхность, то есть, один - очень большую, другой - очень малую.

Линии напряженности электрического поля сгущаются по мере приближения к проволоке, а, следовательно, напряженность поля возле проволоки имеет наибольшее значение. Когда она достигает приблизительно 3*10 6 В/м, между проволокой и цилиндром зажигается разряд и в цепи появляется ток. При этом возле проволоки возникает свечение, имеющее вид оболочки или короны, окружающей проволоку, откуда и произошло название разряда.

Коронный разряд возникает как при отрицательном потенциале на проволоке (отрицательная корона), так и при положительном (положительная корона), а также при переменном напряжении между проволокой и цилиндром. При увеличении напряжения между проволокой и цилиндром растет и ток в коронном разряде. При этом увеличивается толщина светящегося слоя короны.

Процессы внутри короны сводятся к следующему : если проволока заряжена отрицательно, то по достижении напряженности пробоя у поверхности проволоки зарождаются электронные лавины, которые распространяются от проволоки к цилиндру. В случае положительной короны электронные лавины зарождаются на внешней поверхности короны и движутся по направлению к проволоке.

Коронный разряд возникает не только возле проволок, но и возле любых проводников с малой поверхностью. Корона возникает также в природе под влиянием атмосферного электрического поля и появляется на верхушках деревьев, корабельных мачт и т.п.

Тлеющий разряд.

Тлеющий разряд удобно наблюдать при пониженном давлении газа. Если к электродам, впаянным в стеклянную трубку длиной 30-50 см, приложить постоянное напряжение в несколько сот ампер и затем постепенно откачивать воздух из трубки, то наблюдается следующее явление : при атмосферном давлении приложенное напряжение недостаточно для пробоя газа и трубка остается темной. При уменьшении давления газа в некоторый момент в трубке возникает разряд, имеющий вид светящегося шнура. При дальнейшем уменьшении давления этот шнур расширяется и заполняет все сечение трубки.

Особое значение в тлеющем разряде имеют только две его части - катодное темное пространство и тлеющее свечение, в которых и происходят основные процессы, поддерживающие разряд.

Характерным для тлеющего разряда является особое распределение потенциала по длине трубки. Его можно определить, впаивая в трубку ряд дополнительных электродов - зондов, расположенных в различных местах трубки, и присоединяя между катодом и соответствующим зондом вольтметр с большим сопротивлением. Тогда получается кривая распределения потенциала, изображенная на рисунке 5. Она показывает, что почти все падения потенциала в разряде приходятся на область катодного темного пространства. Эта разность потенциалов между катодом и границей тлеющего свечения получила название катодного падения потенциала.

Существование катодного темного пространства объясняется тем, что электроны начинают сталкиваться с атомами газа не сразу, а лишь на некотором расстоянии от катода. Ширина катодного темного пространства приблизительно равна средней длине свободного пробега электронов : она увеличивается с уменьшением давления газа. Следовательно, в катодном темном пространстве электроны движутся практически без соударения.

Катодное падение потенциалов необходимо для поддержания тлеющего разряда. Именно благодаря его наличию положительные ионы приобретают необходимую энергию для образования интенсивной вторичной электронной эмиссии с катода, без которой тлеющий разряд не мог бы существовать. Поэтому катодное падение потенциала есть наиболее характерный признак тлеющего разряда, отличающий эту форму газового разряда от всех других форм.

Тлеющий разряд широко используют в качестве источника света в различных газоразрядных трубках. В лампах дневного света излучение тлеющего разряда поглощается слоем специальных веществ, нанесенных на внутреннюю поверхность трубки, которые под действием поглощенного излучения в свою очередь начинают светиться. Такие трубки оказываются более экономичными нежели обычные лампы накаливания.

Газоразрядные трубки применяются также для рекламных и декоративных целей, для чего им придают очертания различных фигур и букв. Наполняя трубки различными газами, можно получить свечение разной окраски.

В лабораторной практике используют тлеющий разряд для катодного распыления металлов, так как вещество катода в тлеющем разряде постепенно переходит в парообразное состояние и оседает в виде металлического налета на стенках трубки.

Дуговой разряд.

Если после зажигания искового разряда постепенно уменьшат сопротивление цепи, то сила тока в искре будет увеличиваться. Когда сопротивление цепи станет достаточно малым, возникает новая форма газового разряда, называемая дуговым разрядом. При этом сила тока резко увеличивается, а напряжение на разрядном промежутке уменьшается до нескольких десятков вольт. Это показывает, что в разряде возникают новые процессы, сообщающие газу очень большую проводимость.

Дуговой разряд возникает во всех случаях, когда вследствие разогревания катода основной причиной ионизации газа становится термоэлектронная эмиссия. Например, в тлеющем разряде положительные ионы, бомбардирующие катод, не только вызывают вторичную эмиссию электронов, но и нагревают катод. Поэтому, если увеличивать силу тока в тлеющем разряде, то температура катода увеличивается, и когда она достигает такой величины, что начинается заметная термоэлектронная эмиссия, тлеющий разряд переходит в дуговой. При этом исчезает и катодное падение потенциала.

Электрическая дуга является мощным источником света и широко применяется в проекционных, прожекторных и других установках. Расходуемая ею удельная мощность меньше, чем у ламп накаливания.

В качестве источников света употребляют также дуговые лампы высокого давления. Зажигание дуги производится разрядом от источника высокого напряжения с помощью третьего электрода. Вследствие высокой температуры дуги ее применяют для сварки и резанья металлов. Автоэлектронные дуги с ртутным катодом применяют для выпрямления переменного электрического тока.

Ионизация газов. Газы в естественном состоянии не проводят электричества. Если поместить в сухом атмосферном воздухе хорошо изолированное заряженное тело, например заряженный электрометр с хорошей изоляцией, то заряд электрометра долгое время практически остается неизменным. Однако, подвергая газ различным внешним воздействиям, можно вызвать в нем электропроводность. Так, например, помещая вблизи заряженного электрометра пламя горелки, можно видеть, что заряд электрометра быстро уменьшается. Мы сообщили газу электропроводность, создавая в нем высокую температуру. Если бы вместо пламени горелки мы поместили вблизи электрометра подходящий источник света, мы также наблюдали бы утечку зарядов с электрометра. Это показывает, что в газах под влиянием высокой температуры и различных излучений появляются заряженные частицы. Они возникают потому, что от атомов газа отщепляется один или несколько электронов, в результате чего вместо нейтрального атома возникают положительный ион и электроны. Часть образовавшихся электронов может быть при этом захвачена другими нейтральными атомами, и тогда появятся еще и отрицательные ионы. Отрыв электрона от атома (ионизация атома) требует затраты определенной энергии - энергии ионизации. Она зависит от строения атома и поэтому различна для разных веществ. После прекращения действия ионизатора число ионов в газе с течением времени уменьшается и конце концов ионы исчезают вовсе. Исчезновение ионов объясняется тем, что ионы и электроны участвуют в тепловом движении и поэтому соударяются друг с другом. При столкновении положительного иона и электрона они воссоединяются в нейтральный атом. Точно так же при столкновении положительного и отрицательного ионов отрицательный ион может отдать свой избыточный электрон положительному иону и оба они превратятся в нейтральные атомы. Это процесс взаимной ионизации ионов называется рекомбинацией ионов . При рекомбинации положительного иона и электрона или двух ионов высвобождается определенная энергия, равная энергии, затраченной на ионизацию. Она излучается в виде света, и поэтому рекомбинация ионов сопровождается свечением (свечение рекомбинации). Если концентрация положительных и отрицательных ионов велика, то и число ежесекундно происходящих актов рекомбинации будет большим, и свечение рекомбинации может быть очень сильным. Излучение света при рекомбинации является одной из причин свечения многих форм газового разряда. Ионизация электронными ударами. В явлениях электрического разряда в газах большую роль играет ионизация атомов электронными ударами. Процесс заключается в том, что движущийся электрон, обладающий достаточной кинетической энергией, при соударении с нейтральным атомом выбивает из него один или несколько атомных электронов, в результате чего нейтральный атом превращается в положительный ион, а в газе появляются новые электроны. Схема типичного опыта для изучения ионизации электронными ударами показана на рис. 1 (опыты Джеймса Франка и Густава Герца). Исследуемый газ при давлении порядка 0,1 - 0,01 мм рт.ст. вводится в стеклянную трубку, которая сначала откачивается до высокого вакуума (для удаления других газов). Трубка имеет накаливаемый катод К , сетку С и коллектор ионов Кл. На сетку подается положительный ( относительно катода) потенциал, который можно изменять при помощи делителя напряжения Д 1 и измерять вольтметром V . На коллектор ионов накладывается отрицательный потенциал, на 0,5 - 1,0 В больший, чем потенциал катода. Эта небольшая разность потенциалов снимается с делителя напряжения Д 2 , положительный конец которого соединен с катодом. Расстояние катод-сетка в таких трубках делают значительно меньшим, чем расстояние сетка-коллектор, и подбирают давление газа так, чтобы средняя длина свободного пробега электронов в газе была больше расстояния между сеткой и катодом. Поэтому электроны, испущенные катодом, движутся в пространстве катод-сетка практически без соударений, и если разность потенциалов (выраженная в вольтах), между сеткой и катодом равна U , то каждый электрон приобретает кинетическую энергию (выраженную в электронвольтах). Электроны, ускоренные сеткой, испытывают затем соударения с атомами газа в пространстве между сеткой и коллектором. Так как потенциал коллектора ниже, чем потенциал катода, то в отсутствии ионизации все электроны тормозятся, не долетая до коллектора, и поэтому ток через гальванометр равен нулю. Если, однако, постепенно повышать разность потенциалов U между сеткой и катодом , то, когда энергия электронов сделается равной энергии ионизации, то в пространстве сетка - коллектор появятся положительный ионы. Поэтому, измеряя наименьший потенциал сетки U , при котором впервые появляется ток коллектора, можно найти энергию ионизацию атомов исследуемого газа. Метод Франка и Герца не является единственным методом измерения энергии ионизации. Она может быть определена также из исследования линейчатых спектров свечения разреженных газов и паров, причем с довольно большой точностью. Значения энергии ионизации, найденные по спектрам, хорошо совпадают с ее значениями, определенными методом электронных ударов. В таблице даны значения энергии ионизации некоторых атомов. Самостоятельные и несамостоятельные разряды. Рассмотрим цепь, содержащую источник напряжения, газовый промежуток и переменное сопротивление r , которое можно измерять в широких пределах (рис.2). Цепь содержит также амперметр А и вольтметр V . Предположим сначала, что на газовый промежуток воздействует какой-либо ионизатор, например, ультрафиолетовые лучи, падающие на отрицательный электрод и освобождающие из него фотоэлектроны. От этого газ приобретает некоторую электропроводность и в цепи появится ток. Если плавно уменьшать сопротивление r в цепи газового промежутка, то сила тока будет сначала увеличиваться, что связано с увеличением напряжения между электродами и объясняется уменьшением пространственного заряда между ними. При дальнейшем уменьшении сопротивления напряжение на электродах достигнет такого значения, при котором все образующиеся ионы доходят до положительного электрода. И мы получим ток насыщения i s , сила которого зависит только от интенсивности ионизатора (рис.3). Наблюдаемые при этом токи очень малы (обычно микроамперы и меньше, в зависимости от интенсивности ионизатора). Если в оном из режимов разряда, изображаемых ветвью характеристики Оа , прекратить действие ионизатора, то и разряд прекращается. Подобные разряды, существующие только при действии внешнего ионизатора, получили название несамостоятельных газовых разрядов. Если продолжать уменьшать сопротивление цепи r , то ток через разрядный промежуток начинает сильно возрастать.

Возбуждение, ионизация и отклоняющееся напряжение атома. Схемы энергоуровней
Возбуждение и ионизация, определение потенциалов ионизации и возбуждения газов методом электронной спектроскопии. Схема энергетических состояний атома.

Электрический ток в газах
Электрический разряд в газах. Ионизация газов. Механизм электропроводности газов. Несамостоятельный газовый разряд. Самостоятельный газовый разряд. Ра.

Криогенное производство инертных газов
2-е издание, переработанное и дополненное. В монографии описаны способы получения инертных газов из воздуха, природных и продувочных газов, а также ме.

Газы и ионные расплавы
В монографии рассмотрена растворимость газов в ионных расплавах. Приведены методы исследования растворимости газов, обсуждены вопросы моделирования пр.

Состав, свойства и классификация природных газов, методы определения их состава
Химический состав и формирование химического состава газов в газовых и нефтяных залежах. Классификация газов: по условиям нахождения в природе, по ген.

Ионизация электронными ударами. Методы измерения энергии ионизации Д. Франка и Г. Герца. Самостоятельные и несамостоятельные разряды. Молния как пример искрового разряда. Искровой, коронный, дуговой и тлеющий разряды. Значение энергии ионизации атомов.

Подобные документы

Явление электрического разряда в газах, энергия ионизации. Опыты Д. Франка и Г. Герца. Возникновение искрового разряда между двумя электродами, молния. Самостоятельные и несамостоятельные разряды. Особенности коронного, тлеющего и дугового разрядов.

доклад, добавлен 18.05.2012

Электрический разряд в газах. Ионизация газов. Плазма. Механизм электропроводности газов. Несамостоятельный и самостоятельный газовые разряды. Тлеющий, коронный, искровой и луговой газовые разряды. Электрические разряды на службе у человечества.

реферат, добавлен 03.11.2008

Попытка проследить, в какой степени изменение энергии ионизации атомов подчиняются периодическому закону Менделеева позволила сделать вывод о том, что свойства элементов зависят от внешних электронных оболочек и от изменения величины энергии ионизации.

статья, добавлен 14.09.2021

Отношение пробивной напряженности поля к давлению. Образование ярко светящегося извилистого, по которому проходит кратковременный импульс тока большой силы. Излучение, испускаемое атомом, у которого при ионизации был вырван один из внутренних электронов.

лекция, добавлен 26.10.2017

Понятие и механизм возникновения искрового заряда, его физическое обоснование. Классификация и разновидности искровых разрядов, их отличительные свойства. Физика линейной и шаровой молнии. Коронный разряд и причины свечения при нем, ионизация газа.

презентация, добавлен 15.02.2013

Исследование электрической проводимости газов. Изменение электропроводности под действием нагрева и ионизации. Изучение свойств ионной проводимости. Рассмотрение явлений искрового разряда и молнии. Принципы применения коронного и дугового разрядов.

реферат, добавлен 12.02.2015

Изучение туннельного эффекта и многофотонной ионизации в переменном электрическом поле. Вычисление импульсного распределения и вероятности процесса ионизации двумерной и трехмерной квантовой ямы суперпозицией постоянного и переменного электрических полей.

курсовая работа, добавлен 14.03.2016

Применение теплоты электрической дуги при дуговой сварке. Способы термической резки металлов. Ремонт деталей электродуговой сваркой. Процесс ионизации газов. Ионизация дугового пространства и возбуждение дуги. Особенности горения дуги под слоем флюса.

доклад, добавлен 23.12.2015

Исследование причин возникновения электрического разряда в газе. Самостоятельный разряд в газах и начальное напряжение в резко неоднородном поле. Пробой газа. Пробивное напряжение в однородном поле. Характеристика процессов ионизации в электрическом поле.

лекция, добавлен 18.09.2013

Процесс ионизации различных газов. Исследование природы возникновения электрических разрядов в газовых, жидких и твёрдых диэлектриках. Искажение напряженности магнитного поля. Изучение закона подобия разрядов. Образование стримера в неоднородном поле.

Представим электронную оболочку атома в виде совокупности круговых орбит, по которым движутся электроны вокруг положительно заряженного ядра. В нормальном состоянии электроны находятся на ближайших к ядру орбитах, потенциальная энергия атома минимальна. Если сообщить атому дополнительную энергию, один или несколько атомов могут перейти на более удаленные от ядра орбиты. Этот процесс называется электронное возбуждение атома.

Среднее время пребывания атома или молекулы в возбужденном состоянии составляет 10 -10 с. Возвращение атома в нормальное состояние происходит самопроизвольно и сопровождается излучением фотона.

Чем большая энергия сообщается атому, тем на более удаленную от ядра орбиту переходит электрон. Когда электрон удалится от ядра на столько, что связь его с ядром практически исчезнет, он становится свободным. Происходит ионизация атома, в результате образуется две частицы: положительный ион и электрон. Энергия, необходимая для ионизации атома называется энергией ионизации. Эту энергию нейтральная частица получает в результате столкновения с электроном.

Процесс ионизации газа путем соударения нейтральных частиц с электронами называется ударная ионизация и характеризуется коэффициентом ударной ионизации α. Коэффициент ударной ионизации α равен числу ионизаций, производимых электроном на пути в 1 см по направлению действия сил электрического поля.

Образовавшиеся новые электроны в свою очередь также участвуют в процессе ионизации, образуя лавину электронов.

Некоторая часть электронов при столкновении с нейтральными атомами или молекулами может быть ими захвачена, при этом образуются отрицательные ионы. Газы, в которых возможно образование отрицательных ионов, называются электроотрицательными (кислород, хлор, пары воды и др.). Устойчивость образовавшихся отрицательных ионов зависит от энергии, которая выделяется при захвате электрона атомом.

Процесс захвата электронов частицами газа характеризуется коэффициентом прилипания электронов h, который является величиной, обратной пути, проходимому электроном вдоль силовой линии электрического поля до “прилипания”. Поэтому в электроотрицательных газах интенсивность процесса увеличения числа электронов определяется эффективным коэффициентом ударной ионизации αэф=α-η.

Коэффициент α_эф (или α) зависит от напряжения электрического поля Е, давления Р и абсолютной температуры газа Т. Для воздуха при давлении и температуре, близких к нормальным эта зависимость может быть представлена в виде:

, (1.1)

где – относительная плотность воздуха; Р0 = 101300 Па, Т0= 293 К – собственно нормальные давление и температура.

Одновременно с ионизацией происходит процесс взаимной нейтрализации заряженных частиц – рекомбинация. Число рекомбинаций в 1 см 3 газа за единицу времени, пропорционально числу встреч противоположно заряженных частиц, которое в свою очередь пропорционально их концентрации.

Если наступает равновесие, т.е. в единицу времени возникает и рекомбинирует одинаковое число заряженных частиц, то такое состояние газа характеризуется определенной степенью ионизации, равной отношению концентрации ионизированных частиц к общей концентрации частиц:

. (1.2)

Виды ионизации

Различают объемную и поверхностную ионизации.

Объемная ионизация – образование заряженных частиц в объеме газа между электродами. Поверхностная ионизация – излучение (эмиссия) заряженных частиц с поверхности электродов.

Объемная ионизация подразделяется на:

1) ударную ионизацию;

2) ступенчатую ионизацию;

Ударная ионизация – соударение электрона с нейтральным атомом

или молекулой. Условие ионизации может быть записано в виде:

, (1.3)

где m – эффективная масса заряженной частицы, кг ( m_эл=9,1∙10 -31 кг –

эффективная масса электрона; m_прот=1,7∙10 -27 кг – эффективная масса

протона); V – скорость движения заряженной частицы, м/с; W_И – энергия ионизации нейтрального атома или молекулы, эВ.

Так как скорость электронов значительно больше скорости ионов,

то ударная ионизация ионами малоэффективна и определяющей является ударная ионизация электронами.

Ступенчатая ионизация происходит тогда, когда энергия первого

воздействующего на нейтральный атом или молекулу электрона приводит атом только в возбужденное состояние, т. е. энергия электрона недостаточна для ионизации. Воздействие второго электрона на возбужденный атом или молекулу приводит к ионизации. Время между воздействием первого и второго электронов должно быть не более времени нахождения нейтрального атома или молекулы в возбужденном состоянии. Условие ступенчатой ионизации:

, (1.4)

где m_эл – масса электрона; V1, V3 – скорости электронов; W_И – энергия ионизации молекулы (атома).

Для осуществления фотоионизации в объеме газа энергия фотонов,

излучаемая возбужденными атомами или молекулами, должна быть больше энергии ионизации при поглощении фотона нейтральным атомом или молекулой. Этот процесс успешно осуществляется в смеси газов (воздух). При фотоионизации возможна и ступенчатая ионизация.

Условием фотоионизации является:

где h – постоянная Планка; ν – собственная частота фотона.

Термоионизация обусловлена тепловым состоянием газа и может происходить в результате следующих действий:

1) освобождения электрона при соударениях между атомами и мо-

лекулами при высоких температурах;

2) фотоионизации нейтральных атомов и молекул, возбужденных в результате теплового взаимодействия при высоких температурах;

3) ионизации при столкновении электрона с нейтральным атомом или молекулой при высоких температурах.

В газе при тепловом движении происходит диссоциация молекул раньше, чем произойдет ионизация, т. к. энергия диссоциации меньше, чем энергия ионизации.

Поверхностная ионизация (эмиссия электронов) осуществляется за счет:

1) бомбардировки поверхности катода положительными ионами –

вторичная электронная эмиссия. Условие для выхода электрона с поверхности:

, (1.6)

где m_ион – масса иона; V_ион – скорость иона; W_вых – энергия выхода электрона;

2) фотоэмиссии, т. е. лучистой энергии, облучающей катод, например, ультрафиолетовым светом, рентгеновским излучением. Условие для выхода электрона с поверхности:

где h – постоянная Планка; ν – частота излучения фотона; W_вых – энергия выхода электрона;

3) нагрева поверхности катода – термоэлектронная эмиссия;

4) энергии внешнего электрического поля – автоэлектронная или

холодная эмиссия возможна при напряженности электрического поля более 3·10 2 кВ/см.

Для реализации поверхностной ионизации необходимо, чтобы энергия воздействия была больше энергии выхода электрона из катода (W_вых). Энергия W_вых ниже энергии объемной ионизации газа примерно в 2 раза и более и зависит от материала электрода.

Лавина электронов

Пусть в газе между двумя плоскими электродами (однородное поле), под действием какого-либо внешнего ионизатора, появился свободный электрон. При достаточной напряженности электрического поля, двигаясь к аноду, он может при столкновении с атомом ионизировать его. При этом появляется новый электрон, который вместе с начальным, ионизирует новые атомы и молекулы и число свободных электронов будет непрерывно нарастать.

Лавина электронов – процесс нарастания числа электронов, движущихся в электрическом поле по направлению к аноду.

Пусть в лавине, прошедшей путь x, содержится n электронов. На пути dx каждый из них пройдет αdx ионизаций. Общее увеличение числа электронов на пути dx будет равно:

. (1.8)

Интегрируя в пределах от 1 до n и от 0 до x, получим

. (1.9)

В случае однородного поля, когда напряженности во всех точках одинаковы, коэффициент α не зависит от координаты и может быть вынесен за знак интеграла:

. (1.10)

Таким образом, число электронов в лавине в однородном электрическом поле нарастает по экспоненциальному закону со скоростью, которая определяется коэффициентом ударной ионизации α.

Выражение (1.10) дает значение электронов в лавине без учета их прилипания к нейтральным атомам и молекулам, которое характеризуется коэффициентом прилипания η. Число электронов в лавине с учетом прилипания будет равно:

. (1.11)

В процессе развития лавины одновременно с электронами образуются положительные ионы. Подвижность ионов значительно меньше, чем электронов, и за время развития лавины они практически не успевают переместиться в промежутке к катоду. Таким образом, после прохождения лавины электронов в газе остаются положительные, а в электроотрицательных газах и отрицательные ионы, которые искажают (уменьшают или увеличивают) внешнее электрическое поле в промежутке.

Читайте также: