Урок 10. Ионы в газе

ИОНЫ В ГАЗАХ

Избыточная энергия переходит в кинетич. энергию частиц Н и Н + . Существенно меньше вероятность “невертикального” перехода в состояние 2 S д , приводящего к образованию медленных частиц. Т. обр., при диссоциативной ионизации электронным ударом возможно образование “горячих” частиц, чего не происходит при образовании атомарных и мол. ионов. При диссоциативной ионизации многоатомных молекул избыточная энергия перераспределяется по степеням свободы таким образом, что разрыв хим. связи происходит по наиб. слабой из них и положит. заряд оказывается, как правило, у осколка с наим. потенциалом ионизации. При столкновении электронов с атомами и молекулами возможно образование не только положительных, но и отрицат. ионов. Для этого необходимо, чтобы частицы обладали положит. сродством к электрону и чтобы избыток энергии, возникающий в частице после захвата электрона, был отдан системе прежде, чем произойдет диссоциация на электрон и исходную частицу. При прилипании электрона к атому избыточная энергия, равная сумме кинетич. энергии электрона и сродства атома к электрону, м. б. испущена в виде кванта света (радиац. процесс) либо передана при столкновении третьей частице (или пов-сти). Вероятность r радиац. процесса типа А + е : А – + hn (n – частота испускаемого кванта света, h – постоянная Планка) при энергии Е е

10 – 7 и изменяется в первом приближении пропорционально . Вероятность t передачи энергии возбуждения третьей частице пропорциональна концентрации таких частиц и зависит от их природы. Во всех случаях сечение прилипания электрона к атомам существенно меньше газокинетич. сечения, в отличие от сечений ионизации при образовании положит. И. в г. Существенно большими сечениями обладают процессы образования отрицат. ионов многоатомных частиц. Это объясняется тем, что возбужденная многоатомная частица может быстро диссоциировать:

XY + e : [(XY – )]* : X + Y –

либо перераспределять энергию возбуждения по внутр. степеням свободы с образованием относительно долгоживущего состояния, способного стабилизироваться в столкновениях:

(М – третья частица). В последнем случае наблюдаются исключительно большие сечения в узком диапазоне энергий Е е .> Так, сечение прилипания электронов к SF 6 имеет чрезвычайно узкий максимум при энергиях электронов порядка kТ, равный 1,4.10 – 14 см 2 (k – постоянная Больцмана, T – абс. т-ра). При достаточно больших значениях Е е возможна т. наз. полярная диссоциация молекул без захвата электрона: XY + e : X + + Y – +е. Фотоионизация происходит с определенной вероятностью, когда фотон взаимод. с молекулой или атомом и энергия фотона hv равна или превышает потенциал ионизации молекулы или атома: А + hn : A + + е. Зависимость сечения процесса от энергии hv ,> в отличие от ионизации электронным ударом, имеет резкие максимумы при hv = I i , где i (i = 1, 2, . ) – первый, второй и т. д. потенциалы ионизации атома или молекулы. При hv >I> 1 возможны также диссоциативная фотоионизация с образованием двухзарядных ионов: А + hn : А 2+ +2е. Образование двухзарядных ионов обычно имеет место при выбивании “первичного” электрона из внутренней, напр., K-оболочки атома и переходе электрона из расположенной выше по энергии L-оболочки, что сопровождается испусканием рентгеновского кванта или “вторичного” электрона (Оже-электрона; см. Рентгеновская спектроскопия). Фотоионизация возможна и при hv + + е; А + + В : А + + В + + е от энергии Еотносит. движения частиц А и В имеет такой же характер, как и при ионизации электронным ударом. Однако энергетич. масштаб существенно иной: сечение ионизации достигает максимума в области энергий порядка десятков кэВ и остается большим до энергий

1 МэВ. Как и при электронном ударе, в максимуме зависимости сечение ионизации s(E) сравнимо с газокинетич. сечением соударения, а скорость относит. движения частиц сравнима со скоростью орбитального движения электронов в атоме или молекуле. Ионизация может происходить и за счет энергии возбуждения сталкивающихся частиц либо энергии хим. р-ции. Примером является ионизация Пеннинга А + + В : А + В + +е с участием возбужденных частиц А*, энергия к-рых превышает потенциал ионизации частиц В. Энергия хим. р-ции может эффективно приводить к ионизации частиц продуктов, напр., в пламенах СН + О : СНО + + е; N + О : NO + +е. В результате тепловой эффект таких р-ций близок к нулю (для первой из приведенных р-ций) или существенно снижается (для второй р-ции он составляет + 2,75 эВ). Для р-ций типа К + Сl : К + + Сl – тепловой эффект равен разности потенциала ионизации и сродства к электрону электроотрицат. частицы; для приведенной р-ции это всего лишь +0,72 эВ. Заметный вклад в снижение теплового эффекта р-ций может вносить и сродство к протону (к-рое для NH 3 , напр., составляет 9,4 эВ), а также энергия связи других ионов, образующих утяжеленные или кластерные ионы (напр., О 2 + .О 2 , Аr + .Аr).
Рекомбинация И. в г. Процессы типа А + + В – либо АВ + + е : А + В в общем случае протекают со скоростью, характерной для бимолекулярных р-ций и определяемой выражением:

где t – время, [А + ] и [В – ] – концентрации положит. и отрицат. ионов (в см – 3 ), a – т. наз. коэф. рекомбинации (в см 3 .с – 1 ). Величина a меняется в широких пределах (от 10 – 6 до 10 – 14 ) в зависимости от характера процесса и природы участвующих в нем частиц. Наиб. медленной является радиац. рекомбинация, при к-рой энергия рекомбинации превращ. в энергию фотонов. В таких процессах участвуют, как правило, разноименно заряженные атомарные ионы А + и В – либо атомарный ион и электрон: А + + е : А + В + hn.Радиац. рекомбинация тепловых частиц (с энергией порядка kТ) и электронов происходит очень медленно, a – 14 см 3 .с – 1 . С существенно большими значениями a протекает рекомбинация с участием разноименно заряженных атомарных ионов (нейтрализация), приводящая к образованию нейтральных атомов в возбужденных состояниях. Так, для р-ции Н + + Н – : Н* + Н макс. значение a достигается при образовании возбужденного атома Н* с главным квантовым числом п =3 (a 3 = 1,3.10 – 7 см 3 .с – 1 при 250 К). Еще более распространена диссоциативная рекомбинация, в к-рой участвуют двухатомные и многоатомные ионы, включая ионные кластеры. Процессы этого типа обладают наиб. высокими значениями а, лежащими в области 10 – 8 -10 – 6 см 3 .с – 1 . Механизм диссоциативной рекомбинации двухатомной молекулы можно представить последовательностью процессов: Х 2 + + е : (X 2 *) : X* + X + кинетич. энергия. При захвате электрона положит. ионом образуется возбужденная молекула X 2 *, распадающаяся с образованием атомов в возбужденном и основном состояниях, к-рые обладают избыточной кинетич. энергией (“горячие” атомы). Поскольку переход X 2 * : X* + X происходит очень быстро (за время одного колебания, равное

Читайте также:
Урок 23. Закон Авогадро

10 – 13 с), вероятность диссоциативной рекомбинации по порядку величины близка к единице, а a

10 – 8 -10 – 7 см 3 .с – 1 .Типичный пример диссоциативной рекомбинации двухатомных ионов:

При комнатной т-ре a 1 =3.10 – 8 , a 2 = 1,7.10 – 7 см 3 .c – 1 . Для рекомбинации с участием многоатомных ионов и, в частности, ионных кластеров a могут иметь значения

10 – 6 см 3 .с – 1 . Так, рекомбинация кластеров Н 3 О + .(Н 2 О) 5 + е : продукты, происходящая при “т-ре” заряженных частиц 205 К, характеризуется a = (5-10).10 – 6 см 3 .с – 1 . Важная особенность рекомбинации с участием ионных кластеров – рост a с увеличением числа молекул в кластере. Описанные процессы рекомбинации имеют место при невысоких давлениях (не более неск. сотен Па). Их вероятность обусловлена эффективностью способов отбора избыточной энергии, выделяющейся при рекомбинации. Поэтому если у частицы появляются дополнит. возможности отдать избыточную энергию, вероятность рекомбинации возрастает. Такие условия возникают при повыш. давлениях, когда в пределах сферы взаимного притяжения зарядов ускоряющиеся ионы могут сталкиваться с нейтральными частицами и передавать им часть энергии. При больших давлениях (атмосферном и выше) коэф. рекомбинации разноименно заряженных ионов м. б. выражен через их подвижности m + и m – : a = 4pе(m + + m – ), что подтверждается эксперим. значениями a

10 – 6 см 3 .с – 1 . При низких концентрациях ионов и низких давлениях повышается вероятность рекомбинации зарядов на стенке сосуда. Если длина своб. пробега иона больше или соизмерима с размерами сосуда, время жизни иона в отсутствие электрич. и магнитного полей определяется только временем его пробега между стенками. При меньших длинах своб. пробега время жизни t д

x 2 /2D, где х – расстояние между стенками, D – козф. диффузии. Если концентрации положит. и отрицат. ионов (или электронов) одинаковы, их диффузия происходит с одинаковой скоростью (т. наз. амбиполярная диффузия). Коэф. амбиполярной диффузии определяется средним значением подвижности диффундирующих частиц: D = (RT/e)m, где m = m + m – /m + + m – , R – газовая постоянная. Знание скоростей образования и гибели заряженных частиц позволяет определить их стационарную концентрацию в системе. В случае гомогенной квадратичной гибели по р-ции А + + В – : продукты стационарные концентрации [А + ] и [В – ] равны ; в случае диффузионной гибели на стенке они равны qt д , где q – скорость ионизации (в см – 3 .с – 1 ).
Роль ионов в различных процессах. Важная роль И. в г. в радиац. химии обусловлена их высоким радиац. выходом, равным 3-4 парам ионов на 100 эВ поглощенной энергии, и участием в разл. ионно-молекулярных реакциях, к-рые характеризуются большими скоростями и при не слишком больших мощностях дозы излучения успевают пройти прежде, чем произойдет рекомбинация. Так, при мощностях дозы 10 16 эВ. см – 3 .с – 1 , типичных для газофазного радиолиза, время жизни иона до рекомбинации t n

6.10 – 5 с, тогда как характерное время р-ции А + + В : продукты при [В] = 2,5.10 19 см – 3 t i

4.10 – 10 с. Величины t r и t i становятся равными при уменьшении [В] на 5 порядков либо при увеличении мощности дозы на 10 порядков. Поэтому практически любые радиационно-хим. процессы с участием ионов протекают в такой последовательности: ионизация – ионно-молекулярная р-ция – рекомбинация (причем в рекомбинации принимают участие не только вторичные ионы, но и ионы более глубоких поколений). Образовавшиеся при рекомбинации активные частицы (радикалы, атомы, возбужденные частицы) в свою очередь участвуют в хим. превращениях, давая конечные продукты радиолиза. Основными ионно-молекулярными р-циями в радиац. химии газов являются переход тяжелой частицы (протона) и перезарядка (недиссоциативная или диссоциативная). При фотохим. р-циях И. в г. могут играть заметную роль только в далекой (коротковолновой) УФ области (см., напр., описанные ниже ионные процессы в земной атмосфере). В плазме электрич. разряда участие И. в г. в хим. р-циях незначительно, т. к., напр., в плазмохим. реакторах т-ра электронов составляет 10 3 -2.10 4 К, что соответствует энергии Е e 0,1-2 эВ. Такая энергия достаточна для возбуждения молекул либо их диссоциации, но ионизировать газ способна лишь очень малая доля электронов. Напр., в тлеющем разряде в водороде при давлении 10-100 Па и плотности тока 10 – 1 А. см 2 концентрация атомов Н м. б. доведена почти до 100%, а степень ионизации при этом будет менее 1%. В несамостоят. электрич. разрядах, где ионизация газа осуществляется внеш. источником, процессы с участием И. в г. могут играть практически такую же роль, что и в радиационно-хим. превращениях. При высоких т-рах в условиях термодинамич. равновесия степень ионизации газа приближенно определяется ф-лой Саха:

где [А + ], [е], [А] – концентрации соответствующих частиц, S + и S – статистич. веса А + и А, т e -> масса электрона, I – потенциал ионизации нейтральной частицы в основном состоянии. В пламенах могут наблюдаться сверхравновесные концентрации заряженных частиц порядка 10 10 -10 11 см – 3 . Степень ионизации пламени и его электрич. проводимость м. б. повышены введением частиц с малым потенциалом ионизации либо частиц, ионизация к-рых облегчается за счет энергии хим. р-ции. Так, добавки щелочных металлов используются, напр., в магнитогидродинамич. преобразователях тепловой энергии в электрическую. Высокий разогрев и вызванная им сильная ионизация воздуха возникают при прохождении через атмосферу метеорных тел, ракет и спутников.
Ионы в атмосфере Земли и Солнца. В разных слоях земной атмосферы ионизация обусловлена действием источников разной мощности: в приземном слое – это излучение радиоактивных изотопов земной коры, в тропосфере и нижней стратосфере (0-25 км) – космич. лучи, в ионосфере (65-600 км) – коротковолновое УФ излучение Солнца. Наиб. вклад в ионизацию земной атмосферы вносит поток УФ излучения с длинами волн короче 103 нм, к-рый поглощается на высотах 100-300 км, ионизируя в осн. О, N 2 , O 2 . На высоте

Читайте также:
Урок 22. Закон сохранения

300 км абс. максимум дневной концентрации заряженных частиц (гл. обр. О + и е) составляет

10 6 см – 3 . Концентрация электронов здесь зависит от скорости ионно-молекулярных р-ций, превращающих атомарные ионы О + , практически нерекомбинирующие, в быстро рекомбинирующие молекулярные ионы O 2 + и NO + : О + + O 2 : O 2 + + O; О + + N 2 : NO + + N. На высотах 100-150 км преобладают ионы NO + и О 2 + , а ниже 90 км начинается образование ионных кластеров и отрицат. ионов, так что на высотах ниже 65-70 км днем электроны практически отсутствуют. Процессы с участием заряженных частиц определяют не только состав и концентрацию ионов, но оказывают заметное влияние на содержание нейтральных активных частиц в атмосфере. Так, изменение скорости образования ионов в стратосфере приводит к изменению скорости образования оксидов азота, разрушающих стратосферный озон. На высотах 80-90 км ионизация О 2 и р-ция О 2 + с Н 2 О приводят к образованию Н и ОН. При рекомбинации мол. ионов в ионосфере рождаются возбужденные и невозбужденные “горячие” атомы (обладающие избыточной кинетич. энергией). Важным процессом в солнечной атмосфере с участием ионов является образование непрерывного солнечного спектра излучения в видимой области. Это излучение испускается при поглощении фотонов, поступающих из внутр. слоев Солнца, ионами Н – (сродство к электрону 0,755 эВ). Лит.: Смирнов Б. М., Ионы и возбужденные атомы в плазме, М., 1974; Месси Г., Отрицательные ионы, пер. с англ., М., 1979; Брасье Г., Соломон С., Аэрономия средней атмосферы, пер. с англ., Л., 1987. И. К. Ларин, В. Л. Тальрозе.

Химическая энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия . Под ред. И. Л. Кнунянца . 1988 .

Физика. 10 класс

Конспект урока

Физика, 10 класс

Урок 35. Электрический ток в вакууме и газах

Перечень вопросов, рассматриваемых на уроке:

1) особенности протекания электрического тока в вакууме и газах;

2) газовый разряд;

3) рекомбинация, ионизация;

4) самостоятельный разряд и несамостоятельный разряды;

6) зависимость силы тока от напряжения;

7) зависимость силы тока от внешних условий.

Глоссарий по теме:

Термоэлектронная эмиссия – явление испускания электронов нагретыми металлами.

Катодные лучи – это испускаемые катодом потоки электронов, движущиеся в вакууме.

Электрический ток газах или газовый разряд – это процесс прохождения электрического тока через газ.

Ионизация – это распад атомов и молекул на ионы.

Рекомбинация – это образование из ионов нейтральных атомов и молекул.

Самостоятельный разряд – это разряд, происходящий в газе без внешнего ионизатора.

Несамостоятельный разряд – это разряд, происходящий в газе только под влиянием внешнего ионизатора.

Плазма – это частично или полностью ионизированный газ.

Читайте также:
Заключение к главе «Законы сохранения массы и энергии»

Основная и дополнительная литература по теме урока:

Г.Я. Мякишев., Б.Б.Буховцев., Н.Н.Сотский. Физика.10 класс. Учебник для общеобразовательных организаций М.: Просвещение, 2017. – С. 372-375, 380-385.

Рымкевич А.П. Сборник задач по физике. 10-11 класс М.: Дрофа,2009.

Фортов В. Е., Храпак А. Г., Якубов И. Т. Физика неидеальной плазмы. Издательство: Физматлит, 2010 г.

Теоретический материал для самостоятельного изучения

Вакуум является идеальным диэлектриком. Чтобы в вакууме мог проходить электрический ток, в нем необходимо предварительно «создать» некоторую концентрацию свободных носителей заряда, это осуществляется с помощью явления термоэлектронной эмиссии. Термоэлектронная эмиссия – явление испускания веществом электронов при нагревании. Вакуумные приборы, работа которых основана на явлении термоэлектронной эмиссии, называются электронными лампами (вакуумный диод, электронно-лучевая трубка).

Электрический ток в газах, другими словами газовый разряд, – это совокупность электрических, оптических и тепловых явлений, возникающих при протекании электрического тока через вещество, находящееся в газообразном состоянии. Когда газ находится в своем обычном состоянии, он является диэлектриком. Чтобы протекание тока стало возможным, необходимо создать подходящие для этого условия, т. е. ионизировать газ. Ионизация происходит в результате воздействия:

1) космических лучей;

2) рентгеновского излучения;

3) ультрафиолетового излучения;

4) высокой температуры;

5) электрического поля.

Все газовые разряды делятся на 2 вида:

К самостоятельным относятся: искровой, дуговой, тлеющий и коронный разряды.

Электронно-лучевые трубки находят широкое применение в осциллографах, дисплеях компьютеров, радиолокаторах, медицинской аппаратуре.

Плазма – это частично или полностью ионизированный газ. В целом плазма является электрически нейтральной системой.

Частицы плазмы легко перемещаются под воздействием электрических и магнитных полей. Поэтому любое нарушение электрической нейтральности отдельных областей плазмы быстро ликвидируется, и нейтральность плазмы восстанавливается. Проводимость плазмы увеличивается по мере роста степени её ионизации.

При высоких температурах проводимость полностью ионизированной плазмы приближается к сверхпроводимости.

Примеры и разбор решения заданий:

  1. Выберите правильный ответ.

Электронная пушка создаёт пучок электронов в стеклянной вакуумной камере. Все электроны, покинувшие катод пушки, ударяются в экран электронно-лучевой трубки. Если увеличить ускоряющее напряжение в пушке в 2 раза, то сила тока, идущего в вакууме через трубку.

  1. 1 не изменится;
  2. возрастёт примерно в раза;
  3. возрастёт примерно в 2 раза;
  4. возрастёт примерно в 4 раза.

Правильный вариант: 1) не изменится;

Подсказка: вспомните определение тока насыщения в вакууме.

  1. Решите задачу: «Скорость электрона при выходе с поверхности катода, покрытого оксидом бария, уменьшилась в 2 раза. Работа выхода электрона из оксида бария равна 1,6·10 -19 Дж. Найдите скорость электрона до выхода из катода и после выхода из катода».

Электрический ток в газах

Урок 61. Физика 10 класс ФГОС

В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам

Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобрев в каталоге.

Получите невероятные возможности

Конспект урока “Электрический ток в газах”

Сегодня мы с вами поговорим об электрическом токе в газах. Как вы знаете, газы при нормальных условиях не проводят электрический ток, то есть являются диэлектриками. Убедиться в этом просто. Возьмём электрометр, присоединённый к пластинам заряженного плоского конденсатора. При комнатной температуре и достаточно сухом воздухе конденсатор разряжается очень-очень медленно. Это обусловлено тем, что газы состоят из нейтральных атомов или молекул. Однако при определённых условиях газы, в том числе и воздух, становятся проводниками. Например, если мы нагреем пламенем спиртовки или свечи, воздушный промежуток между дисками, то, как видим, электрометр начинает разряжаться. То есть через воздух проходит электрический ток. Вывод очевиден: в воздушном промежутке между дисками появились свободные носители электрического заряда.

Процесс прохождения электрического тока через газ называют газовым разрядом.

Объясним результаты рассмотренного опыта. Нагревание газа пламенем приводит к образованию свободных электронов и положительно заряженных ионов. Процесс, в результате которого некоторые атомы (или молекулы) газа теряют электроны и превращаются в положительно заряженные ионы, называют ионизацией газа.

Минимальное значение энергии, необходимой для отрыва электрона от атома, называют энергией ионизации атома, которая измеряется работой против сил притяжения электрона ядром атома:

Для примера, давайте с вами определим минимальную скорость, которой должен обладать электрон, чтобы он смог ионизировать атом водорода, если потенциал ионизации последнего равен 13,5 В.

Наряду с ионизацией может происходить присоединение образовавшихся при отрыве электронов к нейтральным атомам (молекулам) газа. Это приводит к образованию отрицательно заряженных ионов. Под действием электрического поля в газе возникает направленное движение положительно заряженных ионов к отрицательному электроду (катоду) и направленное движение электронов и отрицательно заряженных ионов к положительному электроду (аноду). Таким образом, носителями электрического заряда в ионизированных газах являются положительно и отрицательно заряженные ионы и свободные электроны. Следовательно, проводимость газов — ионно-электронная.

Если убрать пламя, то электрический ток исчезнет, то есть воздух между дисками опять станет диэлектриком. Это обусловлено тем, что при столкновении положительно заряженного иона с электроном они образуют нейтральный атом газа. Ионы разных знаков при столкновениях также превращаются в нейтральные атомы. Эти процессы называют рекомбинацией ионов.

Читайте также:
Урок 16. Кислоты и основания

Таким образом, для того, чтобы в газе появились свободные носители электрического заряда, его атомы необходимо ионизировать. Это можно осуществить нагреванием газа до высокой температуры, воздействием на газ ультрафиолетовым, рентгеновским, радиоактивным излучениями и так далее.

Внешние воздействия, в результате которых происходит ионизация газа, называют ионизаторами. А разряд, возникающий в результате ионизации газа под действием внешнего ионизатора, называют несамостоятельным.

Давайте изучим вольтамперную характеристику разряда в газе. Для этого воспользуемся стеклянной трубкой с двумя электродами, к которым приложено напряжение. При небольшом напряжении между электродами незначительное количество образовавшихся ионов и электронов достигает электродов, создавая электрический ток. Большинство ионов рекомбинируют, не успевая достигнуть электродов. При увеличении напряжения между электродами возрастает количество заряженных частиц, достигших электродов, то есть сила тока увеличивается. При этом сила тока прямо пропорциональна приложенному напряжению, то есть выполняется закон Ома.

При дальнейшем повышении напряжения пропорциональность нарушается. И начиная с некоторого значения напряжения все носители электрического заряда, образовавшиеся под действием ионизатора, достигают электродов не успев рекомбинировать. При этом сила тока принимает максимальное значение и не зависит от приложенного напряжения.

Напомним, что электрический ток, сила которого не зависит от напряжения, называют током насыщения.

При достаточно высоком напряжении свободные электроны под действием электрического поля ускоряются и приобретают кинетическую энергию, достаточную для ионизации атомов (молекул) газа при соударении с ними. Процесс отрыва от атома газа одного или нескольких электронов, вызванный столкновением с этими атомами свободных электронов, называют ионизацией электронным ударом.

Возникшие в результате ударной ионизации свободные электроны ускоряются электрическим полем и вызывают ионизацию новых частиц. Такие свободные электроны являются вторичным ионизатором. Это ведёт к лавинообразному нарастанию числа вторичных свободных электронов и положительно заряженных ионов, а значит, и к увеличению силы разрядного тока.

Однако сам разряд всё ещё остаётся несамостоятельным, так как после прекращения действия внешнего ионизатора он продолжается только до тех пор, пока отрицательно заряженные ионы и все электроны (первичные и вторичные) не достигнут анода, а положительно заряженные ионы — катода.

Но в ряде случаев газовый разряд может существовать и после прекращения действия внешнего ионизатора. В этом случае имеющееся между электродами сильное электрическое поле является причиной сохранения газового разряда, который называют самостоятельным.

Для возникновения самостоятельного разряда недостаточно наличия одного лишь процесса ударной ионизации. Для поддержания разряда необходимо, чтобы в газе постоянно возникали носители электрического заряда без действия внешнего ионизатора. При движении положительно заряженных ионов к катоду их кинетическая энергия под действием поля увеличивается. Если энергия ионов достаточно велика, то при ударе о катод они могут выбивать с его поверхности электроны. Этот процесс называют вторичной электронной эмиссией («эмиссия» означает «испускание»). Также при бомбардировке положительно заряженными ионами катода происходит его нагревание и возникает термоэлектронная эмиссией. В результате этих процессов в газе создаётся значительное число свободных электронов.

В зависимости от напряжённости электрического поля, давления газа, формы и вещества электродов различают несколько видов самостоятельного газового разряда: тлеющий, дуговой, коронный и искровой.

Тлеющий разряд широко используют в различных газосветных трубках, применяемых для световой рекламы и декораций, лампах дневного света и неоновых лампах.

Дуговой разряд является мощным источником света. Его используют в осветительных установках, для сварки и резки металлов, электролиза расплавов и так далее.

В 1802 г. профессор физики Петербургской медико-химической академии Василий Владимирович Петров установил, что если присоединить к полюсам большой электрической батареи два кусочка древесного угля, привести их в соприкосновение, а затем слегка раздвинуть на небольшое расстояние, то между концами углей образуется яркое пламя — электрическая дуга, — а сами концы углей раскаляются добела, испуская ослепительный свет.

Впервые электрическая дуга была применена в 1876 г. русским инженером Павлом Николаевичем Яблочковым для уличного освещения.

Коронный разряд возникает вблизи заострённой части проводника при атмосферном давлении под действием сильно неоднородного электрического поля. Он сопровождается слабым свечением, напоминающим корону, и характерным потрескиванием.

Искровой разряд наблюдают при высоком напряжении. Он со провождается ярким свечением газа, звуковым эффектом, который создаётся резким повышением давления. Примером искрового разряда в природе служит молния. Интересно, что извилистый вид молнии объясняется тем, что электрический разряд проходит через участки воздуха, имеющие наименьшее сопротивление. А такие участки расположены в воздухе случайным образом.

Для закрепления материала, решим с вами небольшую задачу. В газоразрядной трубке между плоскими электродами площадью 10 см 2 , расположенными на расстоянии 10 см друг от друга, сила тока насыщения равна 1,0 мкА. Разряд несамостоятельный. Какое число элементарных зарядов обоих знаков создаётся ежесекундно в 1,0 см 3 газа?

В заключение урока отметим, что при достаточно высоких температурах или под действием электромагнитного излучения происходит ионизация газа. Полностью или частично ионизированный газ, в котором концентрация положительных и отрицательных зарядов практически совпадает, называют плазмой.

Читайте также:
Урок 18. Кислотно-основное титрование

Плазма является четвёртым агрегатным состояниям вещества и самым распространённым состоянием вещества во Вселенной (около 99 %).

В зависимости от степени ионизации различают частично ионизированную и полностью ионизированную плазму.

А в зависимости от скорости хаотического движения заряженных частиц различают холодную (T 5 К) и горячую (Т > 10 6 К) плазму. Примером холодной плазмы является плазма, образующаяся при всех видах электрического разряда в газах.

Звёзды представляют собой гигантские сгустки горячей плазмы. Плазма заполняет космическое пространство между звёздами и галактиками. Правда плотность плазмы в космическом пространстве очень мала, в среднем всего одна частица на кубический сантиметр.

Из-за большой подвижности заряженные частицы плазмы легко перемещаются под действием электрических и магнитных полей. Поэтому любое нарушение электрической нейтральности отдельных областей плазмы, вызванное скоплением частиц одного знака заряда, быстро ликвидируется. Поэтому, независимо от способа получения, плазма в целом является электрически нейтральной.

Отметим, что с ростом числа ионизированных атомов проводимость плазмы увеличивается. А полностью ионизированная плазма по своей проводимости приближается к сверхпроводникам.

Урок 10. Ионы в газе

1-й семестр

ЭЛЕКТРОДИНАМИКА

2. Электрический ток

УРОК 10/21

Тема. Электрический ток в газах

Цель урока: ознакомить учащихся с природой электрического тока в газах.

Тип урока: урок изучения нового материала.

1. Природа электрического тока в жидкостях.

2. Сформулируйте законы электролиза.

3. Какой физический смысл имеет электрохимический эквивалент?

4. Применение электролиза

1. Ионизация газов.

2. Несамостоятельный и самостоятельный разряды.

3. Типы самостоятельного разряда

Изучение нового материала

1. Механизм проводимости газов.

2. Газовый разряд.

3. Типы самостоятельного разряда

Закрепление изученного материала

1. Качественные вопросы.

2. Учимся решать задачи

ИЗУЧЕНИЕ НОВОГО МАТЕРИАЛА

1. Механизм проводимости газов

В естественном состоянии газы и их смеси (в том числе воздуха) не проводят электрический ток. Газы, в отличие от металлов и электролитов, состоят из электрически нейтральных атомов и молекул и при нормальных условиях не содержат свободных носителей тока (электронов и ионов).

Однако при некоторых условиях можно заметно повысить электропроводность газа. Достаточно, например, подействовать пламенем спички на воздух возле заряженного электроскопа, как он сразу же разряжается. Из этого опыта делают вывод, что под действием пламени воздух теряет свои изоляционные свойства, т.е. в нем появляются свободные заряды. Воздух, как и другие газы, можно сделать электропроводным и в случае воздействия на него ультрафиолетового, рентгеновского и радиоактивного излучений.

Для отрыва электрона от атома необходима определенная энергия, которая называется энергией ионизации.

Ø Ионизация газов – отрыв от их атомов или молекул электронов.

Противоположным процессу ионизации газов является процесс рекомбинации – воссоединение противоположно заряженных частиц в нейтральные молекулы.

Ионизатор ежесекундно создает в пространстве между электродами некоторое число ионов и электронов. Столько же ионов и электронов, соединяясь между собой, образуют нейтральные атомы. Такое динамическое равновесие существует до тех пор, пока между электродами нет электрического поля. Как только между электродами будет создано поле, сразу же на частицы, несущие заряды разного знака, начнут действовать силы, направленные в противоположные стороны. Поэтому, несмотря беспорядочного движения, заряженные частицы будут перемещаться в направлении действия на них электрического поля. Это стремящейся движение частиц под действием электрического поля и представляет собой ток в газе.

Процесс протекания электрического тока через газ называют газовым разрядом.

В ионизированном газе есть носители зарядов трех сортов: электроны, положительные и отрицательные ионы.

Ионизация газа может происходить под влиянием различных внешних факторов (сильное нагревание газа, рентгеновское или радиоактивное излучение, космическое излучение, бомбардировки швидкорухомими электронами или ионами, называются внешними ионизаторами.

Существует 2 вида газового разряда: несамостоятельный и самостоятельный.

Если электропроводность газа возникает под действием ионизаторов, а с удалением последнего исчезает, то имеем несамостоятельный разряд.

Ø Газовый разряд, который можно наблюдать только при наличии внешнего ионизатора, называется несамостоятельным газовым разрядом.

При определенных условиях ток в газах может проходить и без внешнего ионизатора.

Ø Газовый разряд, который продолжается после того, как прекращается действие внешнего ионизатора, называется самостоятельным газовым разрядом.

Какова же причина появления носителей заряда в этом случае?

Электрическое поле действует на заряженные частицы, находящиеся в газе (электроны и ионы). Если поле достаточно сильное, то поле разгоняет электроны до такой скорости, что в результате столкновений с атомами или молекулами происходит их ионизация.

Вследствие ионизации появляются новые заряженные частицы – ионы и электроны. Они так же разгоняются полем, электроны ионизируют новые атомы или молекулы, что, в свою очередь, создает дополнительное увеличение количества заряженных частиц.

В результате количество заряженных частиц резко возрастает. Это явление получило название электронной лавины. Именно ею и объясняется самостоятельный разряд в газах.

3. Типы самостоятельного разряда

Существует несколько типов самостоятельных разрядов, среди которых различают искровой, коронный, дуговой и тлеющий.

Читайте также:
Урок 8. Строение солей

Искровой разряд имеет вид ярких зигзагообразных прерывистых полосок, сопровождается характерным звуковым эффектом – «треском» искры.

Искровой разряд в незначительных масштабах возникает, например, в обычных выключателях, когда мы выключаем свет. А в гигантских масштабах это молния. Молния преимущественно ударяет в места, которые имеют хорошую проводимость. Кроме того, молния часто поражает отдельно расположен предмет на возвышении. Поэтому во время грозы нельзя подходить к высоким предметам и молниеотводов, а тем более прибегать к ним.

На применении искрового разряда основаны методы электроискрового обработки металлов. Мощные, сильно – токовые разряды в водороде были первыми шагами на пути к управляемому термоядерному синтезу.

Коронный разряд – это характерная форма самостоятельного газового разряда, возникающего в резко неоднородных полях.

За атмосферного давления в газах, находящихся в сильно неоднородном электрическом поле вблизи острия, возле проводов линий электропередачи высокого напряжения и др.), наблюдается коронный разряд.

В достаточно сильном поле ионизация электронным ударом происходит уже за атмосферного давления. Именно такая ситуация возникает перед грозой или во время грозы. Но по мере удаления от острия поле быстро уменьшается, поэтому вдали от острия электронная лавина не возникает.

Коронный разряд применяется в электрофильтрах для очистки воздуха. Ионы, сталкиваясь с частицами дыма, заряжают их, после чего заряженные частицы притягиваются к электродам и оседают на них.

Если угольными электродами, к которым приложено напряжение в несколько десятков вольт, прикоснуться друг к другу, то в цепи возникнет большой ток. При этом в месте контакта электродов (где сопротивление максимальный) электроды нагреваются настолько, что с катода начинают вылетать электроны. Это явление называют термоелектронною эмиссией.

Благодаря термоелектронній эмиссии ток в воздухе не прекращается, и после разведения электродов возникает самостоятельный разряд. Его называют дуговым разрядом.

Температура во время дугового разряда достигает 6000 °С (такая температура на поверхности Солнца).

Дуговой разряд был открыт в 1802 г. русским физиком В. В. Петровым.

Дуговой разряд используют для электросварки металлов. Значительный вклад в разработку методов электросварки сделали украинские ученые под руководством академика А. Е. Патона – организатора и первого директора Института электросварки в Киеве.

1876 г. русский инженер П. Н. Яблочков впервые применил электрическую дугу для освещения. Дуговой разряд также используют в прожекторах, проекционных аппаратах и в маяках. В металлургии широко применяют дуговые электропечи, источником тепла в которых является дуговой разряд. В таких печах выплавляют сталь, чугун, бронзу и другие металлы.

При низком давлении возникает разряд, который называют тлеющим.

В случае уменьшения давления газа расстояние, которое пролетает электроном между последовательными столкновениями, увеличивается. Благодаря этому даже незначительное поле успевает разогнать электроны между столкновениями, так что электроны получают энергию, достаточную для ионизации атомов и молекул газа.

Электрический разряд, что происходит за низкого давления (частицы миллиметра ртутного столба, то есть в тысячи раз меньше атмосферного давления), называют тлеющим разрядом.

Тлеющий заряд используют в люминесцентных газонаполненных лампах и рекламных трубках.

ВОПРОС К УЧАЩИМСЯ В ХОДЕ ИЗЛОЖЕНИЯ НОВОГО МАТЕРИАЛА

1. Приведите примеры, иллюстрирующие отсутствие проводимости газа при обычных условиях.

2. Какие факторы могут вызвать ионизацию газа?

3. Почему электроскоп, что находится недалеко от пламени газовой горелки, разряжается достаточно быстро?

4. Почему разрежения газа улучшает его проводимость? Или за всех условиях это справедливо?

1. В чем сходство и различия проводимости газов и электролитов?

2. Чем отличается ионизация газа от электролитической диссоциации?

3. Как изменится дуговой разряд, если сильно охладить анод? катод?

4. Почему при меньших плотностей воздуха электрический разряд происходит при более низких напряжений?

ЗАКРЕПЛЕНИЕ ИЗУЧЕННОГО МАТЕРИАЛА

1. Почему при комнатных условиях, даже несмотря на все меры предосторожности, заряженный электроскоп обязательно разрядится?

2. Какие условия должны быть выполнены, чтобы несамостоятельный разряд стал самостоятельным?

3. Для чего каждый провод высоковольтной линии электропередач делают тройным?

4. Почему у альпинистов существует такое правило: во время ночевки высоко в горах все металлические предметы нужно класть подальше от лагеря?

2 ) . Учимся решать задачи

1. Если баллон неоновой лампы потереть, то можно заметить, что лампа некоторое время светится. Как объяснить это явление?

2. Ионизирующее излучение ежесекундно создает в 1 см3 газа в трубке n = 5 · 109 пар однозарядных ионов. Какова сила тока насыщения при несамостоятельного разряда, если объем трубки V = 600 см3?

Решения. Сила тока Следует обратить внимание на то, что пара однозарядных ионов переносит с катода на анод один электрон.

Подставив числовые данные, получаем: I = 480 нА.

3. Напряжение 40-50 В поддерживает дуговой разряд в газовом промежутке. Искровой разряд в том же промежутке требует напряжения в несколько тысяч вольт. Объясните этот факт.

ЧТО МЫ УЗНАЛИ НА УРОКЕ

• Ионизация газов – отрывание от их атомов или молекул электронов.

• Процесс протекания электрического тока через газ называют газовым разрядом.

Читайте также:
Урок 24. Давление газа

• Газовый разряд, который можно наблюдать только при наличии внешнего ионизатора, называется несамостоятельным газовым разрядом.

• Газовый разряд, который продолжается после того, как прекращается действие внешнего ионизатора, называется самостоятельным газовым разрядом.

• Искровой разряд имеет вид ярких зигзагообразных прерывистых полосок, сопровождается характерным звуковым эффектом – «треском» искры.

• Коронный разряд – это характерная форма самостоятельного газового разряда, возникающего в резко неоднородных полях.

• Электрический разряд, который происходит за низкого давления (частицы миллиметра ртутного столба, то есть в тысячи раз меньше атмосферного давления), называют тлеющим разрядом.

Технологическая карта урока по теме «Электрический ток в газах»

Технологическая карта урока по физике в 10 классе по теме «Электрический ток в газах».

«Электрический ток в газах».

Номер урока (год/тема)

ознакомить учащихся с условиями и особенностями возникновения электрического тока в газах.

Образовательные:

1.определить условия и выявить особенности протекания электрического тока в газах;

2.ознакомить учащихся с видами газовых разрядов;

3.рассмотреть, где и как можно использовать электрические явления в газах.

Развивающие:

1.способствовать развитию необходимых навыков самостоятельной учебной деятельности;

2.продолжить развитие познавательного интереса обучающихся к предмету;

3.формировать личностные качества: точность и ясность словесного выражения мысли; сосредоточенность и внимание.

Воспитательные:

1.в ходе урока содействовать воспитанию у обучающихся уверенности в познаваемости окружающего мира;

2.обсуждая вопросы и работая над проблемой, воспитывать коммуникативную культуру школьников.

3.в процессе подготовки к выступлению воспитывать у учеников ответственность и самостоятельность.

Планируемый результат. Метапредметные результаты. 1.сформированность познавательных интересов, направленных на развитие представлений об электрических явлениях;

2.умение работать с источниками информации;

3.умение преобразовывать информацию из одной формы в другую.

Предметные результаты.

1.правильное понимание, того как протекает электрический ток в газах, при каких условиях диэлектрик может стать проводником. 2.применение новых знаний в новой ситуации.

Личностные. Формируются ответственное отношение к учению и коммуникативная компетентность в общении и сотрудничестве со сверстниками в процессе образовательной деятельности.

Познавательные. Выделяют и формулируют познавательную цель. Строят логические цепи рассуждений. Производят анализ и преобразование информации.

Регулятивные. Учатся определять цель своей деятельности, на основе соотнесения того, что уже усвоено, и того, что еще неизвестно, оценивать и корректировать полученный результат.

Коммуникативные. Формируются речевые умения: учатся высказывать суждения с использованием физических терминов и понятий, формулировать вопросы и ответы в ходе выполнения задания, обмениваться знаниями.

Основные понятия темы

Ионизация, рекомбинация, диэлектрик, проводник, ударная ионизация, термоионизация, фотоионизация, разряд, электрический ток.

Организация пространства

Основные виды учебной деятельности обучающихся.

Основные технологии.

Основные методы.

Формы работы.

Ресурсы. Оборудование.

1. Слушают выступление одноклассников и объяснение учителя.

2.Самостоятельно заполняют таблицу.

3. Смотрят демонстрационный эксперимент и объясняют его.

4. Отвечают на вопросы и решают задачи.

Индивидуальная, общеклассная, групповая.

Физическое оборудование:

газовые трубки, электрофорная машина, плоский конденсатор, спиртовка, спички.

Ресурсы: мультимедийный проектор, презентация.

Структура и ход урока.

Задачи этапа

Деятельность

Деятельность

Мотивационно – ориентировочный компонент

Психологическая подготовка к общению

Обеспечивает благоприятный настрой.

Настраиваются на работу.

Этап проверки знаний.

Провести контроль знаний учащихся.

Личностные, познавательные, регулятивные

Обеспечить деятельность по определению целей урока.

Притча «Чего боятся?» Обсуждение.

Отвечают, обсуждают и определяют тему урока, совместную цель деятельности.

Личностные, познавательные, регулятивные

Операционно – исполнительный компонент

Изучение нового материала.

Способствовать деятельности обучающихся по самостоятельному изучению материала.

Предлагает заполнить таблицу, прослушать сообщения одноклассников, посмотреть эксперименты и обсудить возникшие проблемные вопросы.

Слушают, заполняют таблицу, смотрят эксперименты, отвечают на вопросы.

Личностные, познавательные, регулятивные

Рефлексивно – оценочный компонент

Контроль и самопроверка знаний.

Выявить качество усвоения материала.

Предлагает ответить на вопросы.

Личностные, познавательные, регулятивные

Подведение итогов, рефлексия.

Формируется адекватная самооценка личности, своих возможностей и способностей, достоинств и ограничений.

«Пора делать выводы». Предлагает ответить на вопросы.

Личностные, познавательные, регулятивные

Подача домашнего задания.

Закрепление изученного материала.

Запись на доске.

Записывают в дневник.

Содержание урока.

Добрый день! Сегодня я хотела бы начать наш урок с притчи. Называется она «Чего бояться»?

«Однажды, в жаркий летний день, началась сильная гроза. Все дети прибежали домой. А самой маленькой девочки не было. Мама пошла ее искать. Шел дождь, ярко сверкали молнии, и гремел гром. Маме было страшно. Она закрывала глаза от каждого удара грома и вспышки молнии. Мама нашла свою дочь на улице. Девочка была вся мокрая, но она весело прыгала и танцевала под дождём. А когда сверкала молния, девочка поднимала вверх свое лицо и улыбалась небу.

Мама была очень удивлена. Она спросила:

– Дочка! Ты не боишься? Тебе не страшно?

Улыбаясь, девочка ответила:

– Нет, мама! Мне не страшно! Я не знаю, чего здесь бояться?

А потом сказала:

– Мама! Смотри! Я танцую, а небо меня фотографирует»!

Всем вам, конечно, не раз доводилось наблюдать молнию – это красивое, но опасное явление природы. По оценке метеорологов, за одну секунду в землю ударяют 100 молний. При этом освобождается огромный электрический заряд. Удар молнии распространяется со скоростью 80000 миль в секунду и создает температуру, 50000°С. Такое свечение в атмосфере вызывает у людей удивление и страх. Как вы думаете почему? Обсуждение.

Читайте также:
Урок 15. Моляльность и молярность

Мне тоже очень интересно как электрический заряд проходит через диэлектрик (воздух)? Как вы думаете, о чем сегодня мы будем говорить? На какие вопросы нам предстоит узнать ответы? Сформулируйте тему урока.

Совершенно верно. Тема урока «Электрический ток в газах». Я хотела бы сказать, что в природе не существует абсолютных диэлектриков. Упорядоченное движение частиц, то есть ток, можно вызвать в любой среде, однако для этого необходимы особые условия. Сегодня на уроке мы рассмотрим, как протекают электрические явления в газах и как газ можно из очень хорошего диэлектрика превратить в очень хороший проводник. Выясним, при каких условиях возникает, а также какими особенностями характеризуется электрический ток в газах. Сегодня на уроке мне будут помогать ваши одноклассники. Они приготовили для вас интересный теоретический материал и эксперименты. Вы должны внимательно выслушать их, посмотреть опыты, ответить на вопросы и заполнить таблицу. Но для начала нам предстоит вспомнить материал прошлого урока, выполнить самостоятельную работу и проверить свои знания.

Самостоятельная работа по вариантам.

Задание. Решите задачи.

1. Сколько времени потребуется для никелирования изделия, если масса выделившегося никеля 140 грамм, а сила тока 200А?

1. Сколько времени потребуется для никелирования изделия, если масса выделившегося никеля 140 грамм, а сила тока 300А?

2. При выполнении лабораторной работы на катоде выделилось 380 миллиграмм меди за 10 минут при силе тока в цепи 2 Ампера. Определите по данным опыта электрохимический эквивалент меди?

2. Электрохимический эквивалент хрома 0,18 *10-6 кг/Кл. Сколько хрома выделится при электролизе, если через электролит пройдет заряд 20 Кл?

Критерии оценивания работы.

Общее количество баллов за работу – 10. За каждую задачу по 5 баллов.

§ 3.7. Электрический ток в газах

Электрический разряд в газах

Все газы (в том числе и воздух) в естественном состоянии не проводят электрического тока, т. е. являются изоляторами (см. § 3.1). Именно по этой причине оказывается возможным строить «воздушные» линии электропередачи. На свойстве воздуха быть изолятором основана работа обыкновенного выключателя электрического тока, применяемого в ваших квартирах. Поворачивая выключатель, мы создаем воздушный промежуток между двумя точками электрической цепи и тем самым размыкаем ее.

В том, что воздух является плохим проводником электрического тока, можно убедиться непосредственно на следующем опыте. Возьмем электрометр с присоединенными к нему дисками плоского конденсатора и зарядим его (рис. 3.10, а). При комнатной температуре, если воздух достаточно сухой, конденсатор заметно не разряжается — положение стрелки электрометра не изменяется. Чтобы заметить уменьшение угла отклонения стрелки электрометра, требуется длительное время. Это показывает, что электрический ток в воздухе между дисками очень мал.

Изолирующие свойства газов (воздуха) объясняются отсутствием в них свободных электрических зарядов: атомы и молекулы газов в естественном состоянии являются нейтральными.

Видоизменим наш опыт. Нагреем воздух между дисками пламенем спиртовки (рис. 3.10, б). Заметим, что угол отклонения стрелки электрометра быстро уменьшается, т. е. уменьшается разность потенциалов между дисками конденсатора — конденсатор разряжается. Следовательно, нагретый воздух между дисками стал проводником и в нем устанавливается электрический ток.

Процесс протекания тока через газы называют электрическим разрядом в газах.

Ионизация газов

Рассмотренный выше опыт показывает, что в воздухе между дисками под действием пламени появились заряженные частицы. Тщательными исследованиями было установлено, что носителями электрических зарядов в газах являются ионы и электроны. Откуда же они берутся?

При нагревании газа (воздуха) молекулы начинают двигаться быстрее. При этом некоторые молекулы начинают двигаться так быстро, что часть из них при столкновениях распадается на положительно заряженные ионы и электроны (рис. 3.11). Чем выше температура, тем больше образуется ионов. Распад молекул газа на электроны и положительные ионы называется ионизацией газа.

Нагревание газа до высокой температуры не является единственным способом ионизации молекул или атомов газа. Нейтральные атомы или молекулы газа могут ионизоваться под воздействием других факторов, важнейшими из которых являются рентгеновские лучи и излучения радиоактивных веществ, ультрафиолетовые лучи и т. д. Факторы, вызывающие ионизацию газа, называются ионизаторами.

В газе могут образовываться и отрицательные ионы: они появляются благодаря присоединению электронов к нейтральным атомам или молекулам газа (рис. 3.12).

Итак, в ионизованном газе имеются носители зарядов трех сортов: электроны, положительные ионы и отрицательные. Ионизация газов имеет сходство с электролитической диссоциацией, заключающееся в том, что в обоих явлениях образуются заряженные частицы из нейтральных молекул. Однако здесь имеются и существенные различия. Диссоциация происходит самостоятельно без внешнего воздействия, а ионизация газов — под воздействием ионизатора. Кроме того, при диссоциации образуются заряженные частицы двух сортов — положительные и отрицательные ионы, а при ионизации газов, как мы отмечали, образуются заряженные частицы трех сортов.

Читайте также:
Глоссарий к главе «Атомы, молекулы и ионы»

Рекомбинация

Процесс ионизации газа всегда сопровождается противоположным ему процессом восстановления нейтральных молекул из разноименно заряженных ионов (или из положительных ионов и электронов) вследствие их электрического (кулоновского) притяжения (рис. 3.13). Такой процесс называют рекомбинацией заряженных частиц. Если действие ионизатора неизменно, то в ионизованном газе устанавливается динамическое равновесие, при котором в единицу времени восстанавливается столько же молекул, сколько их распадается на ионы. При этом концентрация заряженных частиц в ионизованном газе сохраняется неизменной. Если же прекратить действие ионизатора, то рекомбинация начнет преобладать над ионизацией и число ионов быстро уменьшится почти до нуля. Следовательно, наличие заряженных частиц в газе — явление временное (пока действует ионизатор). Этим ионизация газа отличается от электролитической диссоциации. В растворе количество диссоциированных молекул остается неизменным сколь угодно долго.

Механизм электропроводности газов

Механизм проводимости газов похож на механизм проводимости растворов и расплавов электролитов. При отсутствии внешнего поля заряженные частицы, как и нейтральные молекулы, движутся хаотически. Если ионы и свободные электроны оказываются во внешнем электрическом поле, то они приходят в направленное движение и создают электрический ток в газах (рис. 3.14).

Таким образом, электрический ток в газе представляет собой направленное движение положительных ионов к катоду, а отрицательных ионов и электронов — к аноду. Полный ток в газе складывается из двух потоков заряженных частиц: потока, идущего к аноду, и потока, направленного к катоду.

На электродах происходит нейтрализация заряженных частиц, как и при прохождении электрического тока через растворы и расплавы электролитов. Однако в газах отсутствует выделение веществ на электродах, как это имеет место в растворах электролитов. Газовые ионы, подойдя к электродам, отдают им свои заряды, превращаются в нейтральные молекулы и диффундируют обратно в газ.

Еще одно различие в электропроводности ионизованных газов и растворов (расплавов) электролитов состоит в том, что отрицательный заряд при прохождении тока через газы переносится в основном не отрицательными ионами, а электронами, хотя проводимость за счет отрицательных ионов также может играть определенную роль.

Процессы ионизации в газе

Представим электронную оболочку атома в виде совокупности круговых орбит, по которым движутся электроны вокруг положительно заряженного ядра. В нормальном состоянии электроны находятся на ближайших к ядру орбитах, потенциальная энергия атома минимальна. Если сообщить атому дополнительную энергию, один или несколько атомов могут перейти на более удаленные от ядра орбиты. Этот процесс называется электронное возбуждение атома.

Среднее время пребывания атома или молекулы в возбужденном состоянии составляет 10 -10 с. Возвращение атома в нормальное состояние происходит самопроизвольно и сопровождается излучением фотона.

Чем большая энергия сообщается атому, тем на более удаленную от ядра орбиту переходит электрон. Когда электрон удалится от ядра на столько, что связь его с ядром практически исчезнет, он становится свободным. Происходит ионизация атома, в результате образуется две частицы: положительный ион и электрон. Энергия, необходимая для ионизации атома называется энергией ионизации. Эту энергию нейтральная частица получает в результате столкновения с электроном.

Процесс ионизации газа путем соударения нейтральных частиц с электронами называется ударная ионизация и характеризуется коэффициентом ударной ионизации α. Коэффициент ударной ионизации α равен числу ионизаций, производимых электроном на пути в 1 см по направлению действия сил электрического поля.

Образовавшиеся новые электроны в свою очередь также участвуют в процессе ионизации, образуя лавину электронов.

Некоторая часть электронов при столкновении с нейтральными атомами или молекулами может быть ими захвачена, при этом образуются отрицательные ионы. Газы, в которых возможно образование отрицательных ионов, называются электроотрицательными (кислород, хлор, пары воды и др.). Устойчивость образовавшихся отрицательных ионов зависит от энергии, которая выделяется при захвате электрона атомом.

Процесс захвата электронов частицами газа характеризуется коэффициентом прилипания электронов h, который является величиной, обратной пути, проходимому электроном вдоль силовой линии электрического поля до “прилипания”. Поэтому в электроотрицательных газах интенсивность процесса увеличения числа электронов определяется эффективным коэффициентом ударной ионизации αэф=α-η.

Коэффициент αэф (или α) зависит от напряжения электрического поля Е, давления Р и абсолютной температуры газа Т. Для воздуха при давлении и температуре, близких к нормальным эта зависимость может быть представлена в виде:

, (1.1)

где – относительная плотность воздуха; Р0 = 101300 Па, Т0= 293 К – собственно нормальные давление и температура.

Одновременно с ионизацией происходит процесс взаимной нейтрализации заряженных частиц – рекомбинация. Число рекомбинаций в 1 см 3 газа за единицу времени, пропорционально числу встреч противоположно заряженных частиц, которое в свою очередь пропорционально их концентрации.

Если наступает равновесие, т.е. в единицу времени возникает и рекомбинирует одинаковое число заряженных частиц, то такое состояние газа характеризуется определенной степенью ионизации, равной отношению концентрации ионизированных частиц к общей концентрации частиц:

. (1.2)

Читайте также:
Урок 1. Схема строения атомов

Виды ионизации

Различают объемную и поверхностную ионизации.

Объемная ионизация – образование заряженных частиц в объеме газа между электродами. Поверхностная ионизация – излучение (эмиссия) заряженных частиц с поверхности электродов.

Объемная ионизация подразделяется на:

1) ударную ионизацию;

2) ступенчатую ионизацию;

Ударная ионизация – соударение электрона с нейтральным атомом

или молекулой. Условие ионизации может быть записано в виде:

, (1.3)

где m – эффективная масса заряженной частицы, кг ( mэл=9,1∙10 -31 кг –

эффективная масса электрона; mпрот=1,7∙10 -27 кг – эффективная масса

протона); V – скорость движения заряженной частицы, м/с; WИ – энергия ионизации нейтрального атома или молекулы, эВ.

Так как скорость электронов значительно больше скорости ионов,

то ударная ионизация ионами малоэффективна и определяющей является ударная ионизация электронами.

Ступенчатая ионизация происходит тогда, когда энергия первого

воздействующего на нейтральный атом или молекулу электрона приводит атом только в возбужденное состояние, т. е. энергия электрона недостаточна для ионизации. Воздействие второго электрона на возбужденный атом или молекулу приводит к ионизации. Время между воздействием первого и второго электронов должно быть не более времени нахождения нейтрального атома или молекулы в возбужденном состоянии. Условие ступенчатой ионизации:

, (1.4)

где mэл – масса электрона; V1, V3 – скорости электронов; WИ – энергия ионизации молекулы (атома).

Для осуществления фотоионизации в объеме газа энергия фотонов,

излучаемая возбужденными атомами или молекулами, должна быть больше энергии ионизации при поглощении фотона нейтральным атомом или молекулой. Этот процесс успешно осуществляется в смеси газов (воздух). При фотоионизации возможна и ступенчатая ионизация.

Условием фотоионизации является:

где h – постоянная Планка; ν – собственная частота фотона.

Термоионизация обусловлена тепловым состоянием газа и может происходить в результате следующих действий:

1) освобождения электрона при соударениях между атомами и мо-

лекулами при высоких температурах;

2) фотоионизации нейтральных атомов и молекул, возбужденных в результате теплового взаимодействия при высоких температурах;

3) ионизации при столкновении электрона с нейтральным атомом или молекулой при высоких температурах.

В газе при тепловом движении происходит диссоциация молекул раньше, чем произойдет ионизация, т. к. энергия диссоциации меньше, чем энергия ионизации.

Поверхностная ионизация (эмиссия электронов) осуществляется за счет:

1) бомбардировки поверхности катода положительными ионами –

вторичная электронная эмиссия. Условие для выхода электрона с поверхности:

, (1.6)

где mион – масса иона; Vион – скорость иона; Wвых – энергия выхода электрона;

2) фотоэмиссии, т. е. лучистой энергии, облучающей катод, например, ультрафиолетовым светом, рентгеновским излучением. Условие для выхода электрона с поверхности:

где h – постоянная Планка; ν – частота излучения фотона; Wвых – энергия выхода электрона;

3) нагрева поверхности катода – термоэлектронная эмиссия;

4) энергии внешнего электрического поля – автоэлектронная или

холодная эмиссия возможна при напряженности электрического поля более 3·10 2 кВ/см.

Для реализации поверхностной ионизации необходимо, чтобы энергия воздействия была больше энергии выхода электрона из катода (Wвых). Энергия Wвых ниже энергии объемной ионизации газа примерно в 2 раза и более и зависит от материала электрода.

Лавина электронов

Пусть в газе между двумя плоскими электродами (однородное поле), под действием какого-либо внешнего ионизатора, появился свободный электрон. При достаточной напряженности электрического поля, двигаясь к аноду, он может при столкновении с атомом ионизировать его. При этом появляется новый электрон, который вместе с начальным, ионизирует новые атомы и молекулы и число свободных электронов будет непрерывно нарастать.

Лавина электронов – процесс нарастания числа электронов, движущихся в электрическом поле по направлению к аноду.

Пусть в лавине, прошедшей путь x, содержится n электронов. На пути dx каждый из них пройдет αdx ионизаций. Общее увеличение числа электронов на пути dx будет равно:

. (1.8)

Интегрируя в пределах от 1 до n и от 0 до x, получим

. (1.9)

В случае однородного поля, когда напряженности во всех точках одинаковы, коэффициент α не зависит от координаты и может быть вынесен за знак интеграла:

. (1.10)

Таким образом, число электронов в лавине в однородном электрическом поле нарастает по экспоненциальному закону со скоростью, которая определяется коэффициентом ударной ионизации α.

Выражение (1.10) дает значение электронов в лавине без учета их прилипания к нейтральным атомам и молекулам, которое характеризуется коэффициентом прилипания η. Число электронов в лавине с учетом прилипания будет равно:

. (1.11)

В процессе развития лавины одновременно с электронами образуются положительные ионы. Подвижность ионов значительно меньше, чем электронов, и за время развития лавины они практически не успевают переместиться в промежутке к катоду. Таким образом, после прохождения лавины электронов в газе остаются положительные, а в электроотрицательных газах и отрицательные ионы, которые искажают (уменьшают или увеличивают) внешнее электрическое поле в промежутке.

Рейтинг
( Пока оценок нет )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: