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 см3 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 скорость перемещения ионов, то только часть из числа пар ионов, образующихся 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 см3) 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.
| Вид ионов | Радиус иона в см | Подвижность в
см2/(в сек) |
| Легкие | 7•10-8— 10•10-8 | 1—2 |
| Тяжелые | 250•10-8 — 550•10-8 | 0,001—0,00025 |
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 = Аи,
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, которое 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 напряженности поля возрастает , пока не достигнет 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.