7.3. Электрический ток в газе. Процессы ионизации и рекомбинации

Газы в нормальном состоянии, в том числе и пары металлов, состоят из электрически нейтральных атомов и молекул и по этой причине не проводят электрический ток. Проводниками электричества могут быть только ионизованные газы. Ионы в газах могут возникать под действием высоких температур, рентгеновских и ультрафиолетовых лучей, радиоактивных излучений, космических лучей, в результате столкновений атомов газа с электронами и другими быстрыми элементарными частицами. Во всех этих случаях происходит вырывание из электронной оболочки атома или молекулы одного или нескольких электронов. Этот процесс называется ионизацией.

Ионизация газов приводит к появлению электронов и образованию положительных ионов в них.

Ионизация газа, возникшая в результате вырывания электронов из молекул и атомов самого газа, называется объемной ионизацией, так как источники ионов распределены в объеме, занимаемом газом.

Помимо объемной ионизации существует поверхностная ионизация, при которой ионы и электроны поступают в газ со стенок сосуда, в котором он заключен, или с поверхности тел, вносимых в газ. Например, источниками электронов могут служить раскаленные тела (термоэлектронная эмиссия) или поверхности металлов, освещаемые ультрафиолетовыми и прочими коротковолновыми электромагнитными излучениями (фотоэлектрический эффект).

После прекращения действия ионизатора положительные и отрицательные ионы газа соединяются между собой с образованием нейтральных молекул и атомов. Процесс соединения положительных и отрицательных ионов газа называется рекомбинацией. В результате рекомбинации проводимость газов пропадает или, во всяком случае, возвращается к своему исходному значению. Проводимость спадает не сразу, а постепенно, так как для полной рекомбинации ионов газа требуется определенное время.

Уменьшение числа пар ионов в единицу времени в единице объема газа пропорциональна n² и может быть записана в виде n², где  постоянная, называемая коэффициентом рекомбинации ионов разных знаков.

Уравнение баланса ионов в газе записывается в виде

. (7.14)

В стационарном состоянии ,

. (7.15)

После выключения ионизатора

. (7.16)

Откуда

, (7.17)

где n_o – концентрация пар положительных и отрицательных ионов при t = 0, т.е. в момент выключения ионизатора.

Через некоторое время концентрация убывает в два раза. Время уменьшения концентрации можно определить так:

. (7.18)

В случае включения ионизатора для определения концентрации положительных и отрицательных ионов необходимо проинтегрировать уравнение (7.16). В результате интегрирования (с учетом того, что в момент включения ионизатора n = 0, а в момент времени t Nn²>>0) получим

, (7.19)

где время  можно определить из (7.19), если подставить :

. (7.20)

Чтобы из нейтрального атома или молекулы удалить электроны, необходимо затратить некоторую энергию. Минимальное значение такой энергии называется энергией ионизации атома или молекулы.

Разность потенциалов, которую должен пройти электрон, чтобы приобрести энергию, равную энергии ионизации, называется потенциалом ионизации или ионизационным потенциалом атома или молекулы. Очевидно, ионизационный потенциал равен энергии ионизации, деленной на абсолютное значение заряда электрона. Можно говорить об энергии и потенциалах ионизации не только нейтральных атомов и молекул, но и ионов, у которых удаляется еще один электрон.

Существуют различные способы определения ионизационных потенциалов: методом электронного удара (Д. Франк, Г. Герц; Дэвис и Гухер); спектроскопический метод и др.

При рекомбинации положительного и отрицательного ионов потенциальная энергия уменьшается. Частично она идет на излучение электромагнитных волн (рекомбинационное излучение). Рекомбинационное излучение проявляется, например, в виде свечения газа в рекламных трубках.

Токи, возникающие в газах под действием внешнего ионизатора, обычно малы, порядка 10^-6  10^-12 А, что соизмеримо с пределом чувствительности обычных зеркальных гальванометров.

Для измерения слабых токов в газах применяют два метода, основанных на явлении ионизации газов: метод натекания и метод постоянного отклонения, рассмотрение которых выходит за рамки данного курса.