Различные виды ионизации в газах

Ударная ионизация в газе, характеризуемая коэффициентом ионизации α, является в электрическом поле основным поставщиком свободных электронов. Вместе с тем на условия развития разряда могут оказывать влияние и даже стать определяющими и другие механизмы ионизации молекул и атомов. К их числу относятся фотоионизация и термоионизация.

Источником ионизирующего излучения может быть внешнее излучение, но таким источником может быть и сам газовый разряд, в котором фотоны образуются при возвращении в исходное состояние возбужденных атомов и молекул. Возникающие фотоны поглощаются газом, причем механизм фотопоглощения чрезвычайно разнообразен и зависит от энергии фотона и структуры молекулы.

Наибольшее практическое значение для развития разряда имеет поглощение фотона с последующей ионизацией молекулы — фотоионизация. Для осуществления фотоионизации нужно, чтобы энергия фотона hν ≥ Wи. Молекулярные газы для фотоионизации требуют ультрафиолетового или мягкого рентгеновского излучения. При ультрафиолетовом излучении атом ионизуется путем выбивания одного из самых внешних электронов. Рентгеновское излучение взаимодействует преимущественно с более сильно связанными внутренними электронами.

Если в газе имеются молекулы разных сортов, отличающиеся разными значениями энергий ионизации и возбуждения, и если энергия электронного возбуждения одних молекул больше энергии ионизации других, то при девозбуждении молекул одного сорта может происходить фотоионизация молекул другого сорта, что имеет место, например, в воздухе при развитии разряда.

При повышении температуры газа до нескольких тысяч градусов возможно осуществление целого ряда реакций, в результате которых образуются положительные ионы и электроны. При высокой температуре за счет большой кинетической энергии частиц возможны неупругие столкновения между собой нейтральных молекул, которые приводят к возбуждению и диссоциации сталкивающихся частиц. В последнем случае молекула распадается на составляющие ее атомы или группы атомов, причем продукты диссоциации, обладающие чаще всего более низкими энергиями ионизации, чем сложная молекула, претерпевают ионизацию при последующих столкновениях.

В смесях газов, таких как воздух, при возвращении термически возбужденных молекул одного сорта (азота) в основное состояние происходит излучение с последующим поглощением фотонов молекулами другого сорта (кислорода), в результате чего также может быть ионизация. Таким образом под термической ионизацией понимается целая совокупность процессов, приводящих к ионизации при высокой температуре газа. Интенсивность термической ионизации характеризуют степенью ионизации m, равной отношению числа (концентрации) ионизованных частиц в единице объема газа nи к числу (концентрации) всех частиц в единице объема — n, так что m = nи/n.

Если газ находится в условиях теплового равновесия, когда средняя тепловая энергия частиц разного сорта (нейтральных молекул, электронов, ионов) одинакова, то для определения степени ионизации m по известной температуре Т можно пользоваться уравнением Саха:
p[m2/(1-m2)] = AT2,5exp(Wи/kT), где р — давление газа, мм рт.ст.; Wи — энергия ионизации газа, эВ; k — постоянная Больцмана, эВ/К; постоянная А = 2,4×10-4. Обычно даже при температурах порядка 10000 К степень ионизации газа еще очень мала и не превышает 0,1.


Комментарии запрещены.





Статистика

Рейтинг@Mail.ru