Электрический ток в газах

Допустим, что изучаемый газ заклю­чен в сосуд С с двумя электродами, к которым прикладывается разность потенциалов О. Электрическое поле Е между электродами можно изменять, перемещая движок Э потенциометра П, замыкающего батарею Б (рис. 8). Если в газе нет свободных зарядов (положительных или отрицательных ионов или электронов), то в цепи гальванометра тока не будет. Заметим, что в газах всегда будет находиться некоторое как газ ионизируется как при неизбежных тепловых

столкновениях молекул, так и под действием различных излучений, в частности от радиоактивных веществ. Однако одновременно с процессом иони­зации, т. е. разделения нейтральных молекул на разряженные ионы, в газе происходит и обратный процесс молизации, или рекомбинации, т. е. соединения ионов в нейтральные молекулы. В равновесном состоянии газов оба эти процесса уравновешиваются: число ежесекундно ионизирующихся молекул равно числу нейтральных молекул, вновь образовавшихся из ионов за то же время.

Если на газ внешнего ионизирующего воздействия не оказы­вается, то естественная концентрация ионов в нем будет очень малой, и ток через газ практически не обнаруживается. Вызвать заметный электрический ток в газе (так называемый газовый разряд), можно, если: 1) при помощи постороннего воздействия (ионизатора) непрерывно разбивать нейтральные молекулы газа на ионы и тем самым увеличивать концентрацию свободных зарядов в газе. Это можно сделать, подвергая газ интенсивному облучению потоком быстрых частиц, ультрафиолетовыми, рентгеновскими лучами, лучами радиоактивных веществ, а также повышая температуру газа, чтобы увеличить интенсивность ионизации при тепловых столкновениях. В этом случае вместе с пре­кращением действия внешнего ионизатора прекращается и ток через газы. Такая проводимость газа называется несамостоятельной; 2) приложить настолько большую разность потенциалов, чтобы имеющиеся в газе ионы, разгоняясь в электрическом поле, приобретали энергии, достаточные для ионизации нейтральных молекул при столкновениях с ними. В этом случае каждый ион при одном столкновении вызывает появление двух или нескольких ионов. Эти ионы в свою очередь разгоняют в поле и разбивают нейтральные молекулы на ионы. Таким образом, число ионов в газе быстро растет, и газ приобретает заметную проводимость; такая проводимость называется самостоятельной.

 Следует различать два вида столкновений между частицами, в частности между ионами, электронами и нейтральными молеку­лами. При одних столкновениях частицы не испытывают никаких внутренних изменений, а только обмениваются кинетическими энергиями движения. Такие столкновения называются упругими; сумма кинетических энергий частиц до и после удара остается постоянной.

 При других — неупругих — столкновениях атомы и молекулы испытывают изменения в своем строении; происходит переход кинетической энергии соударяющихся частиц в потенциальную энергию взаимодействия составных частей этих атомов и молекул — ядер и вращающихся вокруг них электронов. Такой процесс называется возбуждением атомов или молекул; при обратном переходе в нормальное состояние поглощенная энергия возвра­щается в виде энергии излучения. Наконец, при неупругих столкно­вениях возможно также изменение состава атомов и молекул; в частности нейтральная молекула может быть разбита на два иона или от атома может быть оторван электрон и т. д. Ионизация газов при соударениях является результатом неупругих столк­новений.

Для проводимости газов при некоторых условиях (в частности при малых давлениях газа в сосуде) заметное значение имеет выбивание электронов с поверхности катода при падении на него положительных ионов. Каждый такой ион может освободить из катода несколько электронов в зависимости от энергии, приоб­ретенной им в электрическом поле, а также — от работы выхода электрона из вещества катода. Освобожденные из катода элект­роны, подхваченные электрическим полем, могут на пути к аноду вызвать ионизацию газа; кроме этого, этот упорядоченный поток электронов составляет некоторую (иногда значительную) долю всего тока, протекающего через газ.