Ионизация газа
Ионизация газа — это процесс образования ионов из нейтральных частиц. Ионизация образуется от соударения в процессе теплового движения или ионизация газа в воздухе.
Что такое ионизация газа Аэроионы
Чистые, сухие газы не содержат свободных зарядов и являются диэлектриками. При различных внешних воздействиях электроны легко отрываются от атомов газа, образуя таким образом положительные ионы. Оторвавшиеся электроны в значительной части остаются в свободном состоянии, в меньшей — присоединяются к другим атомам, образуя отрицательные ионы.
Происходит ионизация газа. В результате ионизации газ делается хотя и плохим, но проводником электрического тока. Ионизация газа происходит при нагревании (см. рис. 2), соударении его частиц, поглощении фотонов ультрафиолетового излучения и т. п.
Соударяясь в процессе теплового движения, электроны и положительные ионы могут вновь соединяться в нейтральные частицы. Это называется рекомбинацией ионов. Если ионизирующий агент действует с постоянной интенсивностью, то в газе устанавливается динамическое равновесие между количеством ионов и электронов, вновь образующихся и рекомбинирующихся в единицу времени.
В результате количество ионов, содержащихся в единице объема газа, или их концентрация, остается постоянным. Если интенсивность ионизирующего агента повышается, увеличивается и концентрация ионов и электронов. Если действие ионизирующего агента прекращается, то газ постепенно возвращается к исходному состоянию.
Ионизация газа в воздухе
В воздухе и других газах, которые находятся в естественных природных условиях, всегда имеется небольшое количество свободных электронов, а также ионов обоих знаков, образовавшихся вследствие ионизирующего действия природных факторов: ультрафиолетовой части солнечного излучения, космического излучения, излучения радиоактивных веществ, находящихся в земной коре, и т. д.
Обычно они присоединяются к нейтральным молекулам или группам молекул и образуют сложные газовые ионы обоих знаков. В воздухе ионы образуются также при распыливании воды (это называется баллоэлектрическим эффектом), например при падении дождя, около водопадов, фонтанов и т. п. Ионы образуются также (путем вторичной ионизации) при атмосферных электрических разрядах (грозовые молнии).
Газовые ионы, в свою очередь, могут присоединяться к различным взвешенным в газе частицам вещества (пылинки частицы дыма) или мельчайшим капелькам водяного пара и т. п.
Находящиеся в атмосфере газовые ионы называются аэроионами и разделяются на легкие и тяжелые. Легкими аэроионами называются газовые ионы, простые или сложные. Масса их невелика, а подвижность относительно высокая. Тяжелыми аэроионами называются газовые ионы, связанные с твердыми частицами или частицами влаги.
Эти ионы имеют значительно большую массу и меньшую подвижность. Концентрация аэроионов в воздухе зависит от различных метеорологических условий и все время меняется. В среднем в 1 см 3 городского воздуха содержится несколько сотен легких и до нескольких десятков тысяч тяжелых аэроионов. В чистом загородном воздухе количество легких аэроионов увеличивается до нескольких тысяч, а тяжелых снижается почти до нуля.
Легкие и преимущественно отрицательные аэроионы являются положительным гигиеническим фактором. Тяжелые аэроионы действуют вредно на организм. В настоящее время в качестве оздоровительного, а иногда и лечебного мероприятия применяется искусственная аэроионизация воздуха с помощью приборов, называемых аэроионизаторами.
Образование тока в газе вторичная ионизация
Ионизация газа, происходящая под влиянием внешних воздействий, называется первичной ионизацией. Если в газе, в котором поддерживается первичная ионизация, образовать электрическое поле, то под действием сил поля ионы и электроны придут в направленное движение. Движение двух встречных потоков положительных и отрицательных ионов и электронов образует электрический ток в газе. Достигая электродов, ионы нейтрализуют свои заряды путем присоединения (на катоде) или отдачи (на аноде) электронов и таким образом поддерживают ток во внешней цепи.
Образование тока в газе при ионизации его путем нагревания можно показать на опыте (рис. 2). Воздух, находящийся между пластинами Р воздушного конденсатора, подключенного к батарее Б, будучи нагрет пламенем спиртовой горелки, делается токопроводящим. Ток между пластинами отмечается чувствительным гальванометром Г.
Если напряжение, приложенное к электродам невелико, невысока и ско рость перемещения ионов, то только часть из числа пар ионов, образующих ся в единицу времени, достигает электродов и, отдавая свои заряды, образует ток в цепи, остальные ионы рекомбинируются. При увеличении напряжения эта часть ионов будет возрастать, соответственно возрастает и сила тока, однако только до тех пор, пока все ионы, образующиеся в единицу времени, не будут достигать электродов. Ток при этом, несмотря на увеличение напряжения, больше возрастать не будет. Этот ток называется током насыщения. Величина Iн тока насыщения прямо пропорциональна заряду е иона, числу N ионов одного знака, образующихся в единицу времени (1 сек) в единице объема (1 см 3 ) газа, и объему V газа между электродами:
lн=eNV.
Это поясняется схемой, которая показывает, что ионы в газе двигаются двумя встречными потоками, но через любое сечение газа в единицу времени проходит NV зарядов (например, для среднего сечения аb это будет два потока, каждый по NV/2 ионов).
Ионы (или электроны), двигающиеся в газе, испытывают столкновения с окружающими их неионизированными частицами газа, поэтому средняя скорость поступательного движения аэроионов относительно невелика. Эта скорость прямо пропорциональна напряженности поля и зависит от строения иона.
Скорость движения ионов в газе
Подвижность (скорость при напряженности поля 1 в/см) аэроионов указана в таблице.
Масса электрона в тысячи раз меньше массы аэроиона, поэтому скорости движения электронов значительно выше.
При небольших скоростях движения соударение ионов и электронов с неионизированными частицами газа вызывает только изменение направления движения частиц (упругое рассеяние).
Вследствие значительного расстояния между молекулами в газе и при достаточно высокой напряженности поля электроны могут разгоняться до скоростей, при которых их кинетическая энергия может оказаться достаточной, чтобы вызвать неупругое соударение, в результате которого происходит ионизация частицы газа. Это явление называется вторичной ионизацией или ионизацией путем соударения.
Разность потенциалов, при которой должен быть ускорен электрон для осуществления ионизации путем соударения, называется ионизационным потенциалом <ри. При этом кинетическая энергия электрона Eэ=φиe (где е — заряд электрона) должна быть равна работе Ли, которую надо совершить, чтобы оторвать электрон от атома данного газа:
Еэ = φиe = А и,
откуда φи = Аи/е ,
где Аи выражена в электрон-вольтах. Итак, ионизационный потенциал численно равен отношению работы по ионизации атома данного газа к заряду электрона.
Наименьший ионизационный потенциал соответствует отрыву внешних электронов.
Ионизационный потенциал внутренних электронов в несколько раз выше. Во многих случаях учитывается некоторый средний потенциал. Например, средний ионизационный потенциал воздуха принимается равным 34 в (это означает, что для образования одной пары ионов в воздухе в среднем необходимо затратить энергию 34 эв).
При достаточно сильном электрическом поле электроны ускоряются до высоких энергий. Сталкиваясь с нейтральными молекулами или атомами газа, электроны расщепляют их и образуют новые ионы и свободные электроны, которые в свою очередь ускоряются силами электрического поля и производят новую ионизацию, и т. д. Ионизация газа лавинообразно нарастает. Соответственно нарастает и сила тока или интенсивность электрического разряда. На рис. 236, а схематически изображено быстрое нарастание количества электронов и ионов в газе в результате последовательных столкновений с частицами газа. На рис. 3 , б показана фотография ионных лавин, образованных единичными электронами.
Во вторичной ионизации принимают участие также и ионы обоих знаков, но в связи с малой подвижностью значение их в этом процессе незначительно.
Построим график зависимости силы тока I в газе от напряжения U, приложенного между двумя пластинами воздушного конденсатора С . При постоянном расстоянии между пластинами напряженность поля прямо пропорциональна приложенному напряжению. В связи с малой силой тока она измеряется косвенно по падению напряжения на достаточно большом, включенном последовательно в цепь сопротивлении R, кото рое измеряется электрометром Э. Напряжение на пластинах регулируется потенциометром П и измеряется по разности показаний вольтметра В и электрометра Э.
Вначале в области первичной ионизации ток с увеличением напряжен ности поля возрастает , пока не достиг нет величины тока насыщения Iн (с увеличением напряженности поля ток насыщения может незначительно возрастать за счет повышения скорости движения ионов) — участок а в.
При определенной величине напряженности поля в газе начинается вторичная ионизация путем соударения. Количество ионов, образующихся в единицу времени, быстро нарастает. Соответственно возрастает и сила тока, что отражается на графике значительным и неравномерным подъемом кривой (участок ВС).
Электрический ток в газе
Электрический ток в газе, особенно значительный по величине, сопровождается свечением газа, звуковыми явлениями (шипением, треском), образованием в воздухе озона и окислов азота и т. п. Совокупность этих явлений, включая и само образование тока, называется электрическим разрядом в газе. Свечение связано с возбуждением атомов и молекул газа, происходящим при соударении их с электронами (или ионами) с высокой кинетической энергией, но недостаточной для ионизации. Звуковые явления связаны с местным нагреванием газа, происходящим при столкновении частиц. В связи с этим частицы газа приходят в движение, которое при определенных условиях является источником звука.
Разряд обусловленный первичной ионизацией, происходящей под действием внешних воздействий, называется несамостоятельным разрядом, так как с прекращением первичной ионизации газа он также прекращается. Разряд, происходящий под действием вторичной ионизации (ионизации путем соударения) называется самостоятельным разрядом в газе, так как он может продолжаться за счет вторично образующихся ионов, т. е. независимо от первичной ионизации.
Что является причиной ионизации молекул газа в пространстве между электродами
Ионизацию молекул газа в пространстве между электродами вызывает
1) электрическое напряжение между электродами
2) тепловое свечение анода
3) удары молекул газа электронами, испускаемыми катодом
4) электрический ток, проходящий через электроды при их соединении
Электрическая дуга
Электрическая дуга — это один из видов газового разряда. Получить её можно следующим образом. В штативе закрепляют два угольных стержня заострёнными концами друг к другу и присоединяют к источнику тока. Когда угли приводят в соприкосновение, а затем слегка раздвигают, между концами углей образуется яркое пламя, а сами угли раскаляются добела. Дуга горит устойчиво, если через неё проходит постоянный электрический ток. В этом случае один электрод является всё время положительным (анод), а другой — отрицательным (катод). Между электродами находится столб раскалённого газа, хорошо проводящего электричество. Положительный уголь, имея более высокую температуру, сгорает быстрее, и в нём образуется углубление — положительный кратер. Температура кратера в воздухе при атмосферном давлении доходит до 4000 °С.
Дуга может гореть и между металлическими электродами. При этом электроды плавятся и быстро испаряются, на что расходуется большая энергия. Поэтому температура кратера металлического электрода обычно ниже, чем угольного (2000−2500 °С). При горении дуги в газе при высоком давлении (около 2·10 6 Па) температуру кратера удалось довести до 5900 °С, т. е. до температуры поверхности Солнца. Столб газов или паров, через которые идёт разряд, имеет ещё более высокую температуру — до 6000−7000 °С. Поэтому в столбе дуги плавятся и обращаются в пар почти все известные вещества.
Для поддержания дугового разряда нужно небольшое напряжение, дуга горит при напряжении на её электродах 40 В. Сила тока в дуге довольно значительна, а сопротивление невелико; следовательно, светящийся газовый столб хорошо проводит электрический ток. Ионизацию молекул газа в пространстве между электродами вызывают своими ударами электроны, испускаемые катодом дуги. Большое количество испускаемых электронов обеспечивается тем, что катод нагрет до очень высокой температуры. Когда для зажигания дуги вначале угли приводят в соприкосновение, то в месте контакта, обладающем очень большим сопротивлением, выделяется огромное количество теплоты. Поэтому концы углей сильно разогреваются, и этого достаточно для того, чтобы при их раздвижении между ними вспыхнула дуга. В дальнейшем катод дуги поддерживается в накалённом состоянии самим током, проходящим через дугу.
Задания Д19 № 44 
Что является причиной ионизации молекул газа в пространстве между электродами
В нормальном состоянии газы состоят из электрически нейтральных молекул и атомов, и, следовательно, не могут проводить электрический ток. Поэтому газы являются хорошими электрическими изоляторами. Напомню, что окружающий нас воздух является хорошим и самым дешёвым диэлектриком, и его изолирующие свойства широко используются в различных устройствах высокого напряжения (ЛЭП, подстанциях, электростатических генераторах и др.).
Проделаем опыт: разорвём цепь источника тока, т.е. создадим в ней воздушный промежуток. Если включить в такую разорванную цепь гальванометр, то он покажет отсутствие электрического тока.
Поднесём к воздушному промежутку пламя газовой горелки. В пламени происходят интенсивные химические процессы, за счёт энергии которых отдельные атомы могут возбуждаться и ионизироваться. Образующиеся в пламени горелки ионы и электроны переходят в возбужденный промежуток, и под действием приложенной к нему разности потенциалов начинают двигаться к электродам; в цепи появляется ток.
Процесс ионизации заключается в том, что под действием высокой температуры или некоторых лучей молекулы газа теряют электроны, и тем самым превращаются в положительные ионы.
Таким образом, в результате происходит освобождение электронов из атомов и молекул, которые могут присоединиться к нейтральным молекулам или атомам, превращая их в отрицательные ионы. Ионы и свободные электроны делают газ проводником электричества.
Ионизация газа может происходить под действием коротковолнового излучения – ультрафиолетовых, рентгеновских и гамма-лучей, а также альфа-, бета- и космических лучей.
Установлено, что в нормальных условиях газы, например воздух, обладают электрической проводимостью, но очень ничтожной. Эта проводимость вызвана излучением радиоактивных веществ, имеющихся на поверхности земли, а также космическими лучами, приходящими из мировых глубин. Однако равновесная концентрация ионов в воздухе не превышает нескольких десятков пар ионов в кубическом сантиметре. Для того, чтобы воздух стал заметно проводить электрический ток, его надо подвергнуть воздействию интенсивных ионизаторов.
Итак, при ионизации газовых молекул под действием внешнего источника из молекулы обычно вырывается один электрон, и остаётся положительный молекулярный ион с зарядом е + , т.е. образуется пара – положительный ион и электрон. Вырвавшийся электрон обычно присоединяется к какой-либо другой молекуле и образует отрицательный молекулярный ион с зарядом е – , опять образуется пара – положительный и отрицательный ионы. Оба типа ионов одновалентны (), имеют одинаковую концентрацию n, но несколько различные подвижности и Под действием внешнего электрического поля эти ионы начинают двигаться, и возникает электрический ток.
Электрический ток, возникающий в процессе ионизации газа – ток в газах – это встречный поток ионов и свободных электронов.
Наряду с термином «ионизация» часто употребляют термин «генерация», характеризующий тот же самый процесс образования носителей зарядов в газе.
Одновременно с процессом ионизации идёт обратный процесс рекомбинации (иначе – молизации).
Рекомбинация – это нейтрализация при встрече разноименных ионов или воссоединение иона и электрона в нейтральную молекулу (атом).
Факторы, под действием которых возникает ионизация в газе, называют внешними ионизаторами, а возникающая при этом проводимость называется несамостоятельной проводимостью.
При данной мощности внешнего ионизатора в объёме газа устанавливается равновесное состояние, при котором число пар ионов, возникающих под действием ионизатора за одну секунду в единице объёма, равно числу пар рекомбинировавших ионов. При этом скорость ионизации равна скорости рекомбинации:
Таким образом, ионизованный газ способен проводить ток. Явление прохождения электрического тока через газ называется газовым разрядом. Газовые разряды можно разделить на два вида: несамостоятельный и самостоятельный.
Процессы ионизации в газе
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 αэф (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 ( mэл=9,1∙10 -31 кг –
эффективная масса электрона; mпрот=1,7∙10 -27 кг – эффективная масса
протона); V – скорость движения заряженной частицы, м/с; WИ – 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 mэл – масса электрона; V1, V3 – скорости электронов; WИ – 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 mион – масса иона; Vион – скорость иона; Wвых – 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; Wвых – 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 (Wвых). Энергия Wвых 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.