Характеристики ионизованного газа

Даже в отсутствие внешнего электрического поля в газе, кроме нейтральных молекул или атомов, может быть какое-то число свободных электронов и ионов разного знака. Заряженные частицы возникают либо под действием внешнего источника ионизации (в воздухе это — космическое излучение), либо создаются искусственно в лаборатории облучением промежутка светом ультрафиолетовой лампы. Считается, что в воздухе так называемая фоновая концентрация заряженных частиц составляет примерно 10З 1/смЗ.

В электрическом поле с напряженностью Е на заряженную частицу, имеющую заряд q (для электрона это заряд е), действует сила F=qE (4)

Под действием этой силы происходит движение заряженных частиц в направлении поля, причем в процессе такого движения заряженные частицы приобретают энергию от поля, равную W = qxE, где x — путь, пройденный частицей в направлении поля. Для электрона эта приобретенная энергия равна W = exE. Скорость движения электронов вдоль поля почти на три порядка больше скорости движения ионов за счет их разных масс, поэтому энергия, набираемая электронами, быстро возрастает.

При движении электронов в газе происходят их столкновения с нейтральными молекулами. Путь между двумя последовательными столкновениями называется длиной свободного пробега электрона. В общем случае эти длины имеют вероятностный характер и определяются функцией распределения энергий электронов. В расчетах часто используется средняя длина свободного пробега λе, являющаяся функцией средней энергии электронов. В свою очередь, длина свободного пробега должна определяться плотностью газа, то есть его давлением. Приводимые в литературе значения λе1 обычно даются для давления 1 мм рт.ст. и температуры 0 С. Тогда для другого давления р λе = λе1/р.

Одновременно с приобретением энергии электроны теряют ее при столкновениях с молекулами или атомами газа, причем в зависимости от доли теряемой энергии различают упругие и неупругие столкновения.

При упругих столкновениях доля теряемой электроном и приобретаемой молекулой энергии f = mе/M, где mе и M — массы электрона и молекулы, что дает f = 10. Энергия, переданная в результате большого числа упругих столкновений между многими электронами и молекулами газа, приводит к увеличению кинетической энергии нейтральных молекул, что выражается в повышении температуры газа.

При большой энергии сталкивающегося электрона возможно неупругое столкновение. При неупругих столкновениях электрон передает молекуле большую часть своей энергии, что приводит к переходу молекулы в новое состояние, определяемое значением полученной энергии. Неупругие столкновения могут сопровождаться ионизацией, при которой из нейтральной молекулы образуется положительный ион и свободный электрон, электронным возбуждением молекулы, при котором один из электронов на ее оболочке переходит на более высокий энергетический уровень, или диссоциацией молекулы, при которой молекула распадается на две нейтральные, заряженные или возбужденные частицы.

Особенностью перечисленных видов неупругих столкновений для большинства газов является наличие четко выраженных пороговых энергий: энергии электронного возбуждения — Wв, энергии диссоциации — Wд, энергии ионизации — Wи, ниже которых соответствующие реакции происходить не могут. Это связано со структурой атомов или молекул, с которыми взаимодействует свободный электрон. Их переход в новое состояние при столкновении с электроном возможен только при передаче им энергии, равной или большей пороговой.

Каждый процесс неупругого столкновения характеризуют соответствующим обобщенным коэффициентом, равным числу столкновений данного вида, осуществляемых одним электроном на пути в 1 см вдоль поля.


Комментарии запрещены.





Статистика

Рейтинг@Mail.ru