5. Електричний струм у газах

5.1. Електропровідність газів

Гази, на відміну від металів і електролітів, складаються з електрично нейтральних атомів і молекул і не мають вільних зарядів, здатних під дією електричного поля рухатись впорядковано. Отже, за звичайних умов гази є ізоляторами, тобто не проводять електричний струм. Газ стає провідником, якщо частина його молекул або атомів іонізується, тобто вони розщеплюються на електрони і позитивні іони. У газі можуть виникати і негативні іони внаслідок з’єднання з його нейтральними молекулами частини електронів, що звільнилися.

Для іонізації атома (або молекули) необхідно виконати роботу проти сил взаємодії між електронами, що вириваються, та іншими частинками атома (або молекули). Цю роботу називають енергією або роботою іонізації Аі. Величина цієї роботи залежить від хімічної природи газу і енергетичного стану електрона в атомі або молекулі, з яких він виривається. Найбільш слабко зв’язані з ядром зовнішні (валентні) електрони атома. Тому, щоб видалити валентний електрон з атома, необхідно виконати меншу роботу, ніж для виривання будь-якого іншого електрона. Після того, як видалили з атома один електрон, зв’язок інших електронів з ядром зміцнюється. Отже, щоб відщепити від уже іонізованого атома ще один електрон, потрібно виконати роботу значно більшу, ніж роботу відриву першого електрона. Так, наприклад, робота іонізації атома азоту (N) дорівнює 14,5 еВ, його одновалентного іона (N⁺) – 29,5 еВ, двовалентного іона (N⁺⁺) – 47,4 еВ.

Енергію іонізації характеризують потенціалом іонізації , під яким розуміють ту різницю потенціалів, яку має пройти електрон у прискорювальному електричному полі, щоб набути енергію, яка дорівнює роботі іонізації:

Якщо Аі виражено в електрон-вольтах, а – у вольтах, то чисельно дорівнює Аі.

Іонізація газу може відбуватися під впливом різних зовнішніх причин: сильного нагрівання газу, рентгенівського випромінювання, α – , β – і γ –випромінювання, що виникає під час радіоактивного розпаду, космічного випромінювання, бомбардування молекул газу електронами й іонами, що рухаються з великою швидкістю. Кількісною характеристикою процесу іонізації є інтенсивність іонізації, яку вимірюють числом пар протилежних за знаком заряджених частинок, що утворюються в одиниці об’єму за одиницю часу.

Оскільки за звичайних умов на газ завжди діють космічне і радіоактивне випромінювання, то в ньому завжди є вільні заряди. Проте інтенсивність іонізації під впливом космічного випромінювання і розпаду розсіяних в земній корі радіоактивних елементів дуже мала. Тому провідність газів у природних умовах настільки мала, що нею можна знехтувати. У досить сильних електричних полях наявність у газі навіть невеликої кількості вільних електронів та іонів відіграє істотну роль у виникненні помітної електропровідності.

Розглянемо процес іонізації газу під впливом рухомих електронів або іонів, який називають ударною іонізацією. Кінетична енергія W_k зарядженої частинки, яка пройшла у прискорювальному полі різницю потенціалів Δφ, дорівнює W_k = qφ.

Прийнявши, що всі іони одновалентні, тобто, що заряд частинки q дорівнює елементарному (q = e) і швидкість іонів в багато разів менша за швидкість світла С, знаходимо:

Якщо маса частинки m, то її швидкість  дорівнює:

(5.1)

Для спрощення розглянемо одноатомний газ. Якщо кінетична енергія частинки порівняно мала, то, як показують досліди, її зіткнення з атомами нагадує пружний удар. Енергія, яка передається при цьому атому, недостатня для іонізації. Тому бомбардування атомів газу частинками, які мають невелику енергію, викликає лише нагрівання газу.

Якщо кінетична енергія частинок достатньо велика, то, як показують досліди, зіткнення стають непружними і викликають збудження атомів газу, тобто перехід одного з електронів атома з основного енергетичного рівня на більш високий, або навіть іонізацію атомів. На підставі законів збереження імпульсу та енергії отримуємо:

Звідси мінімальна кінетична енергія частинки, що забезпечує іонізацію атома, дорівнює

. (5.2)

Оскільки швидкість теплового руху атома, маса якого М, набагато менша за швидкість іонізуючої частинки, то при використанні закону збереження імпульсу можна прийняти, що до удару атом не рухається.

Процес зіткнення електронів або іонів з молекулами, що складаються з двох і більшої кількості атомів, якісно подібний до розглянутого. Проте у цьому випадку слід враховувати, що збудження складної молекули може полягати не тільки в збільшенні енергії її електронів, але також і в збільшенні енергії коливань ядер атомів і енергії обертального руху молекули, тобто необхідно враховувати закон розподілу енергії за ступенями вільності.

Іони та вільні електрони в іонізованому газі, як і нейтральні атоми та молекули, перебувають у постійному хаотичному русі. У разі зближення протилежно заряджених частинок вони з’єднуються між собою і утворюють нейтральні атоми та молекули. Цей процес називають рекомбінацією. Він супроводжується виділенням енергії, яка витрачається при їх іонізації. Ця енергія здебільшого виділяється у вигляді світлового випромінювання, тому процеси, які відбуваються при рекомбінації, характерні світінням газу. Якщо іонізація газу відбувається досить довго, то за відсутності зовнішнього електричного поля між процесами іонізації і рекомбінації встановлюється динамічна рівновага, тобто інтенсивності іонізації і рекомбінації однакові.