Электрический ток в газах

I. Электропроводность газов

1. 
   Работа ионизации и ее интенсивность.
   

Вышеописанный опыт показывает, что в газах под влиянием высокой температуры появляются заряженные частицы. Они возникают вследствие отщепления от атомов газа одного или нескольких 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 отрицательные ионы. Распад молекул газа на электроны и положительные ионы называется ионизацией газов. Нагревание газа до высокой температуры не является единственным способом ионизации молекул или атомов газа. Ионизация газа может происходить под влиянием различных внешних взаимодействий: сильного нагрева газа, рентгеновских лучей, a-, b- и g-лучей, возникающих при радиоактивном распаде, космических лучей, бомбардировки молекул газа быстро движущимися электронами или ионами. Факторы, вызывающие ионизацию газа называются ионизаторами. Количественной характеристикой процесса ионизации служит интенсивность ионизации, измеряемая числом пар противоположных по знаку заряженных частиц, возникающих в единице объема газа за единицу времени.
Атомы и молекулы газа представляют собой устойчивые системы заряженных частиц. Поэтому для ионизации атома (или молекулы), необходимо совершить работу против сил взаимодействия между вырываемым электроном и остальными частицами атома (или молекулы) Эта работа называется работой ионизации Ai. Величина работы ионизации зависит от химической природы газа и энергетического состояния вырываемого электрона в атоме или молекуле. Наиболее слабо связаны с ядром внешние (валентные) электроны атомов, поэтому для удаления из атома валентного электрона нужно затратить меньшую работу, чем для любого другого электрона. Работу ионизации можно характеризовать с помощью потенциала ионизации.

2. 
   Потенциал ионизации
   

Энергия ионизации элемента — энергия, необходимая для превращения 1 моля атомов в газовой фазе в 1 моль катионов в газовой фазе таким образом, чтобы от каждого атома отрывался один электрон.
Энергию ионизации можно определить путем бомбардировки атомов электронами, ускоренными в электрическом поле. То наименьшее напряжение поля, при котором скорость электронов становится достаточной для ионизации атомов, называется потенциалом ионизации атомов данного элемента и выражается в электронвольтах.
При затрате достаточной энергии можно оторвать от атома два, три и более электронов. Поэтому говорят о первом потенциале ионизации (энергия отрыва от атома первого электрона), втором потенциале ионизации (энергия отрыва второго электрона) и т. д.
По мере последовательного удаления электронов от атомов положительный заряд образующегося иона возрастает. Поэтому для отрыва каждого следующего электрона требуется большая затрата энергии, — иначе говоря, последовательные потенциалы ионизации атомов возрастают.
Данные таблицы 1 показывают, что от атома лития сравнительно легко отрывается один электрон, от атома бериллия — два, от атома бора — три, от атома углерода — четыре. Отрыв же последующих электронов требует гораздо большей затраты энергии. Это соответствует нашим представлениям о строении рассматриваемых атомов. Действительно, у атома лития во внешнем электронном слое размещается один электрон, а у атома бериллия — 2, бора — 3, углерода — 4. Эти электроны обладают более высокой энергией, чем электроны предшествующего слоя, и поэтому их отрыв от атома требует сравнительно небольших энергетических затрат. При переходе же к следующему электронному слою энергия ионизации резко возрастает.
Величина потенциала ионизации может служить мерой большей или меньшей «металличности» элемента: чем меньше потенциал ионизации, тем легче оторвать электрон от атома, тем сильнее должны быть выражены металлические свойства элемент.
Последовательные потенциалы ионизации атомов некоторых элементов второго периода
Рассмотрим с этой точки зрения, как изменяются первые потенциалы с увеличением атомного номера у атомов одной и той же подгруппы периодической системы.
Как видно, с увеличением порядкового номера элемента потенциалы ионизации уменьшаются, что свидетельствует об усилении металлических и, соответственно, ослаблении неметаллических свойств.
Эта закономерность связана с возрастанием радиусов атомов. Кроме этого, увеличение числа промежуточных электронных слоев, расположенных между ядром атома и внешними электронами, приводит к более сильному экранированию ядра, т.е. к уменьшению его эффективного заряда. Оба эти фактора (растущее удаление внешних электронов от ядра и уменьшение его эффективного заряда) приводят к ослаблению связи внешних электронов с ядром и, следовательно, к уменьшению потенциала ионизации.
У элементов одного и того же периода при переходе от щелочного металла к благородному газу заряд ядра постепенно возрастает, а радиус атома уменьшается. Поэтому потенциал ионизации.
Первые потенциалы ионизации (в эВ) атомов элементов некоторых главных подгрупп постепенно увеличивается, а металлические свойства ослабевают.
Потенциалы ионизации (в эВ) атомов второго и третьего периодов
Иллюстрацией этой закономерности могут служить первые потенциалы ионизации элементов второго и третьего периодов.
Видно, что общая тенденция к возрастанию энергии ионизации в пределах периода в некоторых случаях нарушается. Так, потенциалы ионизации атомов бериллия и азота выше, чем атомов следующих за ними элементов бора и кислорода; аналогичное явление наблюдается и в третьем периоде при переходе от магния к алюминию и от фосфора к сере. При этом повышение значения потенциалов ионизации наблюдается либо у атомов с целиком заполненным внешним энергетическим подуровнем (бериллий и магний):
либо у атомов, у которых внешний энергетический подуровень заполнен ровно наполовину, так что каждая орбиталь этого подуровня занята одним электроном (азот и фосфор):
Эти и подобные факты служат экспериментальным основанием, согласно которому электронные конфигурации, соответствующие полностью или ровно наполовину занятым подуровням, обладают повышенной энергетической устойчивостью.

3. 
   Ударная ионизация.
   

При дальнейшем увеличении напряжения выше значения Uп при одной и той же начальной ионизации наблюдается рост тока в импульсе. Это означает, что откуда-то в газе берутся дополнительные свободные электрические заряды. Электроны, образованные первоначальным действием радиации на нейтральные атомы газа, сильно ускоряются электрическим полем, т.к. они обладают малой массой и, следовательно, инерцией. При этом электроны приобретают большую кинетическую энергию, пропорциональную квадрату скорости, и сами становятся быстрыми частицами, способными производить ионизацию при столкновении с нейтральными молекулами и атомами. Если электрон (бета-частица) пролетает так близко от электрона внешней оболочки атома, что возникающая между ними сила отталкивания превышает силы, удерживающие электрон в атоме, он вылетает за пределы последнего. Такой механизм образования ионов получил название ударной ионизации, а вся область напряжений, при которых она возникает -–области ударной ионизации.
За счет ударной ионизации можно получить значительное увеличение ионизационных токов. Отношение полного числа ионов, пришедших к нити счетчика, к числу первичных ионов, созданных ионизирующей частицей, получило название коэффициента газового усиления. Величина его зависит от приложенного напряжения и может превосходить 10 млн. Так как газоразрядные счетчики работают в режимах, соответствующих области ударной ионизации, то за счет газового усиления они значительно превосходят ионизационные камеры по своей чувствительности.

4. 
   Подвижность
   

Подвижность ионов и электронов в газе — это отношение средней скорости u направленного (в результате действия электрического поля) движения электронов или ионов к напряжённости электрического поля
Е: μ = u/E
Зависимость u от Е в принципе даётся решением кинетического уравнения Больцмана (См. Кинетическое уравнение Больцмана). Однако не только решение, но даже точное написание этого уравнения связано со значительными трудностями, обусловленными разнообразием элементарных процессов, в которых участвуют ионы и электроны. Поэтому обычно П. и. и э. теоретически рассчитывают приближённо, вводя упрощающие допущения. Подвижность ионов (μи) и электронов (μэл) исследуют раздельно, т.к. элементарные процессы, определяющие движение тех и других, различны. Для электронов существенно, что вследствие малости их массы они при упругих столкновениях теряют лишь незначительную часть энергии. Поэтому даже в слабых полях появление у них направленного движения (накладывающегося на тепловое — хаотическое) приводит к тому, что их средняя энергия намного превышает энергию тяжёлых нейтральных атомов и молекул. Теоретически П. и. и э. впервые проанализировал в 1903 П. Ланжевен. Впоследствии были развиты более строгие и сложные теории, описывающие зависимость u от Е. Первым измерил μэл английский физик Дж. Таунсенд, изучая диффузию пучка электронов, движущихся в электрическом поле, и смещение этого пучка в магнитном поле. Наиболее точные данные о зависимости u от Е приведены на рис. 1. Приближённые значения μэл получают при измерении концентрации и подвижности электронов (а также Е) в положительном столбе электрического разряда в газе.
Подвижность ионов, движущихся в постороннем газе, удовлетворительно описывается теорией Ланжевена, согласно которой в одном и том же газе она зависит только от массы иона (рис. 2). Основной процесс, определяющий μ ионов в их собственном газе, — Перезарядка ионов. Пройдя длину свободного пробега (См. Длина свободного пробега) перезарядки, ион обменивается зарядом с нейтральной частицей, а вновь возникший ион «стартует» с начальной скоростью, близкой к тепловой (т. н. «эстафетный» механизм движения ионов). В сильных полях при этом u ≈ (Е/р)1/2, где р — давление газа, приведённое к 0°C. Развитие этой теории позволило учесть и собственное тепловое движение нейтральных атомов (молекул). В предельно слабых полях теория предсказывает, а эксперимент подтверждает линейную зависимость u ионов от Е.
П. и. и э. связана с коэффициентом диффузии (См. Диффузия) D формулой Эйнштейна: D/μ = kT/e, где Т — абсолютная температура заряженных частиц в предположении, что они подчиняются Максвелла распределению (См. Максвелла распределение) (в смеси разных заряженных и нейтральных частиц их средние энергии и, следовательно, температуры могут быть различны — свойство «неизотермичности» такой смеси); k — Больцмана постоянная; е — заряд электрона.

5. 
   Закон Ома для тока в газе.
   

Предположим, что ионизированный газ находится между двумя плоскими параллельными электродами, к которым приложено электрическое напряжение. Ионы под влиянием напряжения перемещаются, и в цепи возникает ток. Часть ионов нейтрализуется на электродах, часть исчезает за счет рекомбинации.
На рис. 4.3 показана зависимость тока от напряжения для газа. Начальный участок кривой до напряжения соответствует выполнению закона Ома, когда число положительных и отрицательных ионов можно считать не зависящим от напряжения. В газовом промежутке ток пропорционален напряжению, плотность тока пропорциональна напряженности поля.
По мере возрастания приложенного напряжения ионы уносятся к электродам, не успевая рекомбинировать, и при некотором напряжении все ионы, создаваемые в газовом промежутке, разряжаются на электродах. Дальнейшее увеличение напряжения уже не вызовет возрастания тока, что соответствует горизонтальному участку кривой рис. 4. (ток насыщения при напряжениях от ). Ток насыщения для воздуха в нормальных условиях и расстояния между электродами наблюдаются при напряженностях поля около .
Плотность тока насыщения в воздухе весьма мала и составляет около . Поэтому воздух можно рассматривать как совершенный диэлектрик, до тех пор, пока не создадутся условия для появления ударной ионизации. Ток при увеличении напряжения остается постоянным, пока ионизация осуществляется под действием внешних факторов. При возникновении ударной ионизации (выше на рис. 4.3) ток начинает быстро увеличиваться с возрастанием напряжения.