Процесс ионизации газов

ионизация газа— Процесс возникновения или увеличения концентрации свободных заряженных частиц в газе. [ГОСТ 13820 77] Тематики электровакуумные приборы …   Справочник технического переводчикаионизация газа— dujų jonizavimas statusas T sritis automatika atitikmenys: angl. das ionization vok.

Gasionisation, f rus. ионизация газа, f pranc. ionisation du gaz, f …   Automatikos terminų žodynasИонизация газа— Эта статья должна быть полностью переписана.

На странице обсуждения могут быть пояснения …   Википедияударная ионизация газа— Ионизация газа в результате соударения его частиц. [ГОСТ 13820 77] Тематики электровакуумные приборы …   Справочник технического переводчикаИонизация— [ionization, ionizing] образование положительн и отрицательных ионов и свободных электронов из электрически нейтральных атомов и молекул. Термином «ионизация» обозначают как элементарный акт (ионизацию атома, молекулы), так и совокупность… …   Энциклопедический словарь по металлургииИОНИЗАЦИЯ— образование положит.

и отрицат. ионов и свободных эл нов из электрически нейтральных атомов и молекул. Термином «И.» обозначают как элементарный акт (И.

атома, молекулы), так и совокупность множества таких актов (И. газа, жидкости). Ионизация в… …   Физическая энциклопедияИОНИЗАЦИЯ— превращение атомов и молекул в ионы.

Степень ионизации отношение числа ионов к числу нейтральных частиц в единице объема. Ионизация в электролитах происходит в процессе растворения при распаде молекул растворенного вещества на ионы… …   Большой Энциклопедический словарьИОНИЗАЦИЯ ПОЛЕМ— (полевая ионизация, автоионизация) процесс ионизации атомов и молекул газа в сильных электрич. полях.

Связанный в атоме электрон можно представить себе находящимсяв потенц. яме (рис. 1, а).

При включении электрич. поля напряжённостью Е к нач.… …   Физическая энциклопедияИонизация в тлеющем разряде и искровая ионизация— в первом случае за счет разницы потенциалов между кусочком исследуемого материала и другим электродом пробивается искра, вырывающая с поверхности мишени ионы, а во втором происходит тоже самое, но за счет так называемого тлеющего разряда,… …   ВикипедияИОНИЗАЦИЯ ГАЗОВ— ИОНИЗАЦИЯ ГАЗОВ, появление в газе под влиянием разнообразных внешних агентов (рентгеновские лучи, лучи радия, пламя и т. д.) заряженных частиц молекул и групп молекул, называемых ионами (точнее газовыми ионами, для отличия от электролитических… …   Большая медицинская энциклопедия

Ионизация газов.

Газы в естественном состоянии не проводят электричества. Если поместить в сухом атмосферном воздухе хорошо изолированное заряженное тело, например заряженный электрометр с хорошей изоляцией, то заряд электрометра долгое время практически остается неизменным.

Однако, подвергая газ различным внешним воздействиям, можно вызвать в нем электропроводность.

Так, например, помещая вблизи заряженного электрометра пламя горелки, можно видеть, что заряд электрометра быстро уменьшается. Мы сообщили газу электропроводность, создавая в нем высокую температуру. Если бы вместо пламени горелки мы поместили вблизи электрометра подходящий источник света, мы также наблюдали бы утечку зарядов с электрометра.

Это показывает, что в газах под влиянием высокой температуры и различных излучений появляются заряженные частицы. Они возникают потому, что от атомов газа отщепляется один или несколько 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 и отрицательные ионы.

Отрыв электрона от атома (ионизация атома) требует затраты определенной энергии — энергии ионизации. Она зависит от строения атома и поэтому различна для разных веществ.

После прекращения действия ионизатора число ионов в газе с течением времени уменьшается и конце концов ионы исчезают вовсе. Исчезновение ионов объясняется тем, что ионы и электроны участвуют в тепловом движении и поэтому соударяются друг с другом.

При столкновении положительного иона и электрона они воссоединяются в нейтральный атом. Точно так же при столкновении положительного и отрицательного ионов отрицательный ион может отдать свой избыточный электрон положительному иону и оба они превратятся в нейтральные атомы. Это процесс взаимной ионизации ионов называется рекомбинацией ионов.

При рекомбинации положительного иона и электрона или двух ионов высвобождается определенная энергия, равная энергии, затраченной на ионизацию.

Она излучается в виде света, и поэтому рекомбинация ионов сопровождается свечением (свечение рекомбинации). Если концентрация положительных и отрицательных ионов велика, то и число ежесекундно происходящих актов рекомбинации будет большим, и свечение рекомбинации может быть очень сильным. Излучение света при рекомбинации является одной из причин свечения многих форм газового разряда.

Ионизация электронными ударами.

В явлениях электрического разряда в газах большую роль играет ионизация атомов электронными ударами. Процесс заключается в том, что движущийся электрон, обладающий достаточной кинетической энергией, при соударении с нейтральным атомом выбивает из него один или несколько атомных электронов, в результате чего нейтральный атом превращается в положительный ион, а в газе появляются новые электроны.

Схема типичного опыта для изучения ионизации электронными ударами показана на рис. 1 (опыты Джеймса Франка и Густава Герца).

Исследуемый газ при давлении порядка 0,1 — 0,01 мм рт. ст. вводится в стеклянную трубку, которая сначала откачивается до высокого вакуума (для удаления других газов).

Трубка имеет накаливаемый катод К, сетку Си коллектор ионов Кл.На сетку подается положительный ( относительно катода) потенциал, который можно изменять при помощи делителя напряжения Д1и измерять вольтметром V. На коллектор ионов накладывается отрицательный потенциал, на 0,5 — 1,0 В больший, чем потенциал катода. Эта небольшая разность потенциалов снимается с делителя напряжения Д2,положительный конец которого соединен с катодом.

Расстояние катод-сетка в таких трубках делают значительно меньшим, чем расстояние сетка-коллектор, и подбирают давление газа так, чтобы средняя длина свободного пробега электронов в газе была больше расстояния между сеткой и катодом. Поэтому электроны, испущенные катодом, движутся в пространстве катод-сетка практически без соударений, и если разность потенциалов (выраженная в вольтах), между сеткой и катодом равна U, то каждый электрон приобретает кинетическую энергию (выраженную в электронвольтах). Электроны, ускоренные сеткой, испытывают затем соударения с атомами газа в пространстве между сеткой и коллектором.

Так как потенциал коллектора ниже, чем потенциал катода, то в отсутствии ионизации все электроны тормозятся, не долетая до коллектора, и поэтому ток через гальванометр равен нулю. Если, однако, постепенно повышать разность потенциалов Uмежду сеткойи катодом , то, когда энергия электронов сделается равной энергии ионизации, то в пространстве сетка — коллектор появятся положительный ионы. Поэтому, измеряя наименьший потенциал сетки U, при котором впервые появляется ток коллектора, можно найти энергию ионизацию атомов исследуемого газа.

Метод Франка и Герца не является единственным методом измерения энергии ионизации. Она может быть определена также из исследования линейчатых спектров свечения разреженных газов и паров, причем с довольно большой точностью. Значения энергии ионизации, найденные по спектрам, хорошо совпадают с ее значениями, определенными методом электронных ударов.

В таблице даны значения энергии ионизации некоторых атомов.

Самостоятельные и несамостоятельные разряды.

Рассмотрим цепь, содержащую источник напряжения, газовый промежуток и переменное сопротивление r, которое можно измерять в широких пределах (рис.2). Цепь содержит также амперметрАи вольтметр V.

Предположим сначала, что на газовый промежуток воздействует какой-либо ионизатор, например, ультрафиолетовые лучи, падающие на отрицательный электрод и освобождающие из него фотоэлектроны. От этого газ приобретает некоторую электропроводность и в цепи появится ток. Если плавно уменьшать сопротивление rв цепи газового промежутка, то сила тока будет сначала увеличиваться, что связано с увеличением напряжения между электродами и объясняется уменьшением пространственного заряда между ними.

При дальнейшем уменьшении сопротивления напряжение на электродах достигнет такого значения, при котором все образующиеся ионы доходят до положительного электрода. И мы получим ток насыщения is, сила которого зависит только от интенсивности ионизатора (рис.3). Наблюдаемые при этом токи очень малы (обычно микроамперы и меньше, в зависимости от интенсивности ионизатора).

Если в оном из режимов разряда, изображаемых ветвью характеристикиОа, прекратить действие ионизатора, то и разряд прекращается. Подобные разряды, существующие только при действии внешнего ионизатора, получили название несамостоятельныхгазовых разрядов.

Если продолжать уменьшать сопротивление цепи r, то ток через разрядный промежуток начинает сильно возрастать, хотя напряжение повышается сравнительно мало. Это соответствует участку характеристики аб(рис.3). Возрастание тока на участке характеристики аб показывает, что в газовом промежутке появляются новые ионы.

Если еще уменьшить сопротивление r, то разряд приобретает совсем другой характер. Сила тока в разряде резко возрастает (в сотни и тысячи раз) и в газе появляются сильно выраженные световые и тепловые эффекты. Ели теперь прекратить действие ионизатора, то разряд продолжается.

Это значит, что ионы, необходимые для поддержания электропроводности газа, создаются самим разрядом в результате процессов, происходящих в разряде. Такие газовые разряды называют самостоятельнымиразрядами. Напряжение, при котором возникает самостоятельный разряд, называется напряжениемпробоягазового промежутка или напряжениемзажиганиягазового разряда.

В зависимости от того, какие именно процессы образования ионов в разряде играют главную роль, мы говорим о различных формах или типах самостоятельных разрядов. Так, например, различают коронный, искровой, дуговой, тлеющий и другие разряды. Эти разряды отличаются друг от друга свойствами и внешним видом.

Искровой разряд.

Если постепенно увеличивать напряжение между двумя электродами, находящимися в атмосферном воздухе и имеющими такую форму, что электрическое поле между ними не слишком сильно отличается от однородного (например, два плоских электрода с закругленными краями или два достаточно больших шара), то при некотором напряжении возникает электрическая искра. Она имеет вид ярко светящегося канала, соединяющего оба электрода, который обычно бывает сложным образом изогнут и разветвлен (рис 4).

Рис.4

Электрическая искра возникает в том случае, если электрическое поле в газе достигает некоторого определенного значения Ек(критическая напряженность поля) или напряженность пробоя. Для воздуха при нормальных условиях Ек » 3*106В/м

Значение Ек увеличивается с увеличением давления. Отношение критической напряженности поля к давлению газа рдля данного газа остается приблизительно постоянным в широкой области изменения давлений:

Ек/р »const

Напряжение пробоя понижается при воздействии на газ внешнего ионизатора. Если приложить к газовому промежутку напряжение, несколько меньшее пробойного, и внести в пространство между электродами зажженную газовую горелку, то возникает искра. Такое же действие оказывает и освещение отрицательного электрода ультрафиолетовым светом, а также другие ионизаторы.

Способыионизации газов

Вобычных условиях газы являются хорошимидиэлектриками.

Электрическиесвойства газов связаны в первую очередьс ионизацией молекул или атомов.

Способыионизации молекул и атомов:

1.Нагревание.

При температурах начинаяс нескольких тыс. градусов всякий газчастично ионизуется и превращается вплазму. Плазма это полностью или частичноионизированный газ.

2.Воздействие электромагнитного излучения:

ультрафиолетовогоизлучения;

рентгеновскогоизлучения;

гамма-излучения.

3.Воздействие заряженных частиц: альфа-,бета-частиц, космического излучения.

4.Электронный удар

Приэлектрическом разряде движущийсяэлектрон соударяется с нейтральныматомами и выбивает из них него один илинесколько атомных электронов, в результатечего нейтральный атом превращается вположительный ион, а в газе появляютсяновые электроны.

5.Захват электронов. При ионизации частьобразовавшихся электронов может бытьзахвачена другими нейтральными атомами,и тогда появятся еще и отрицательныеионы.

Количественныехарактеристики ионизации газов

Интенсивностьионизации- число пар противоположных по знакузаряженных частиц, возникающих в единицеобъема газа за единицу времени. Ионизацияатома требует затраты определеннойэнергии.

Работаионизации- работа против сил взаимодействия междувырываемым

электрономи остальными частицами атома (илимолекулы).

Ионизациязависит от

1).химической природы газа;

2).энергетического состояния вырываемогоэлектрона в атоме или молекуле.

Рекомбинацияионов

Послепрекращения действия ионизатораколичество ионов в газе с течениемвремени уменьшается и, в конце концов,ионы исчезают вовсе. Причины – тепловоедвижение: 1). положительные ионы иэлектроны соударяются друг с другом иобразуют нейтральный атом.

2).отрицательный ион может отдать свойизбыточный электрон положительномуиону и оба иона превратятся в нейтральныеатомы. Этот процесс взаимной нейтрализацииионов называется рекомбинацией ионов.При рекомбинации освобождается, равнаяэнергии, затраченной на ионизацию. Частично она излучается в виде света,и поэтому рекомбинация ионов сопровождаетсясвечением (свечение рекомбинации).

Механизмэлектропроводности газов

Механизмпроводимости газов похож на механизмпроводимости растворов и расплавовэлектролитов. При отсутствии внешнегополя заряженные частицы, как и нейтральныемолекулы движутся хаотически. Если ионыи свободные электроны оказываются вовнешнем электрическом поле, то ониприходят в направленное движение исоздают электрический ток в газах.

Такимобразом, электрический ток в газепредставляет собой направленное движениеположительных ионов к катоду, аотрицательных ионов и электронов каноду. Полный ток в газе складываетсяиз двух потоков заряженных частиц:потока, идущего к аноду, и потока,направленного к катоду.

Наэлектродах происходит нейтрализациязаряженных частиц, как и при прохожденииэлектрического тока через растворы ирасплавы электролитов.

Особенностиэлектропроводности газов

1.Вгазах отсутствует выделение веществна электродах (в отличие от электролитов).Газовые ионы, подойдя к электродам,отдают им свои заряды, превращаются внейтральные молекулы и диффундируютобратно в газ.

2.При прохождении тока через газы зарядпереносится в основном электронами(более подвижны). В газах сочетается:электронная проводимость (металлы), сионной проводимостью (растворы и расплавыэлектролитов).

Электрическийразряд в газах

Газовыйразряд– процесс прохождения электрическоготока через газ. Существует множествовидов электрического разряда в газе.Вид газового разряда обусловлен:

.исходнымсостоянием газа (состав, давление и т.д.),

.внешнимвоздействием на газ,

.формой,материалом и расположением электродов,

.геометриейвозникающего в газе электрическогополя и т. п.

Законыпрохождения электрического тока в газесложнее, чем в металлах и электролитах.

Несамостоятельныйгазовый разряд– разряд при котором электропроводностьгаза создается внешними ионизаторами.

Самостоятельныйгазовый разряд– разряд, сохраняющийся после прекращениядействия внешнего ионизатора.

Типысамостоятельного разряда

Взависимости от свойств и состояниягаза, характера и расположения

электродов,а также от приложенного к электродамнапряжения возникают

различныевиды самостоятельного разряда:

1.Тлеющийразряд. 2.Коронный разряд.

3.Искровойразряд. 4.Дуговой разряд. 5.Плазма.

В некоторых случаях свободные носи­тели заряда в воздухе возникают под дейст­вием высокой температуры. Однако такое же явление наблюдается под действием разных видов излучений: рентгеновского, радио­активногои т. п.

Что же происходит с нейтральными мо­лекулами газа под действием высокой тем­пературы или излучений?

Когда энергия молекулы или атома воз­растает, они при столкновении с другими молекулами могут потерять один или несколько электронов, превратившись в поло­жительно заряженные ионы(рис. 7.19).

Образуется два свободных носителя за­рядов: электрон и положительно заряжен­ный ион.

В газах образуются и отрицательные ионы, когда электроны присоединяются к нейтраль­ным молекулам или атомам (рис. 7.20).

Таким образом,

под действием различных ионизаторов в газах образуется три вида свободных носителей заряда: электроны и ионы обоих знаков.

Но образование ионовв газах принципиально отличается от образо­вания их в электролитах, где молекулы рас­падаются на ионы вследствие электролити­ческой диссоциации.

Если в газах перестает действовать иони­затор, то они снова почти не проводят электрический ток: свободные носители за­ряда или достигают электродов и нейтра­лизуются, или рекомбинируют, образовывая нейтральные молекулы или атомы (рис. 7.21).Материал с сайта http://worldofschool.ru

Рис.

7.19. Образование пары электрон — положительный ионРис. 7.20.

Образование отрицательного ионаРис. 7.21. Образование нейтральной мо­лекулы при объединении положитель­ного иона и электрона

На этой странице материал по темам:Вопросы по этому материалу:

Источники:

  • technical_terminology.academic.ru
  • mirznanii.com
  • studfiles.net
  • worldofschool.ru

Поделиться:
Нет комментариев