И.В. Савельев - Курс общей физики. Том 2. Электричество и магнетизм, волны, оптика (1115514), страница 47
Текст из файла (страница 47)
Еще большего усиления импульса (до !О") можпо достигнуть, заставив работать счетчик в области Гейгера (область Р' на рнс. 82.2). Счетчик, работающий в этом режиме, называется счетчиком Гейгера — Мюллера Гл. хн. электгический ток В ГА3Ах 244 (сокращенно с ч е т ч и к о м Г е й г е р а). Разряд в области Гейгера, будучи «запущенА ионизирующей частицей, в дальнейшем переходит в самостоятельный. Поэтому величина импульса не зависит от первоначальной ионизации.
Для того чтобы получать от отдельных частиц раздельные импульсы, необходимо возникший разряд быстро прервать (погасить). Это достигается либо с помощью внешнего сопротивления Й (в н е с а м о г а с я щ и х с я счетчиках), либо за счет процессов, возникающих в самом счетчике. В последнем случае счетчик называется с а м о г а с я щ и м с я. Гашение разряда с помощью внешнего сопротивления обусловливается тем, что прн протекании по сопротивлению разрядного тока на нем возникает большое падение напряжения.
Поэтому на межэлектродный промежуток приходится только часть приложенного напряжения, которая оказывается недостаточной для поддержания разряда. Прекращение разряда в самогасяшихся счетчиках вызывается следующими причинами. Электроны обладают примерно в 1000 раз большей подвижностью, чем положительные ионы. Поэтому за то время, за которое электроны достигают нити, положительные ионы почти не сдвигаются со своих мест. Эти ионы создают положительный пространственный заряд, ослабляющий поле вблизи нити, и разряд прекращается.
Гашению разряда в этом случае препятствуют дополнительные процессы, которых мы не будем рассматривать. Для их подавления к газу, заполняющему счетчик (обычно аргону), добавляется примесь многоатомного органического газа (иапример, паров спирта). Такой счетчик разделяет импульсы от частиц, следующих друг за другом с интервалами порядка 10 ' с. ф 83. Процессы, приводящие к появлению носителей тока при самостоятельном разряде Прежде чем приступить к описанию различных видов самостоятельного газового разряда, рассмотрим основные процессы, приводящие к возникновению носителей тока (электронов и ионов) при подобных разрядах. Столкновения электронов с молекулами. Столкновения электронов (а также ионов) с молекулами могут иметь упругий и неупругий характер.
Энергия молекулы (так же как и атома) квантуется. Это означает, что она может принимать лишь дискретные (т. е. разделенные конечными промежутками) значения, называемые уровнями энергии. Состояние с наименьшей энергией называется о с н о в н ы м. Для того чтобы перевести молекулу из основного в различные возбужденные состояния, требуются определенные значения энергии Ж'0 В', и т.
д. Сообщив молекуле достаточно большую энергию )Р;, можно вызвать ее ионизацию. ~ зз носители токл пги слмостояз сльиом гхзгяде 245 Перейдя в возбужденное состояние, молекула обычно пребывает в нем всего лишь — 1О ' с, после чего переходит в основное состояние, излучив избыток энергии в виде кванта света — фо т о н а. В нскаторых возбужденных состояниях, называемых м е т а с т аб и л ь и ы м и, молекулы могут находиться значительно дольше (примерно !О '" с).
При соударении частиц должны выполняться законы сохранения энергии и импульса. Поэтому на передачу энергии при ударе накладываются определенные ограничения — не вся энергия, которой обладает ударяющая частица, может быть передана другой частице. Если при столкновении молекуле не может быть сообщена энергия, достаточная для ее возбуждения, то суммарная кинетическая энергия частиц остается без изменений и удар будет у п р у г и м. Найдем энергию, сообщаемую ударяемой частице при упругом ударе. Пусть частица массы т„имеющая скорость и„, ударяется о неподвижную (и„=- 0) частицу массы пм.
При центральном ударе должны выполняться условия т~йщ т~и~ тщь где п„и и, — скорости частиц после удара. Из этих уравнений получается дли скорости второй частицы значение 2т, гй ~~о юш +юл~ (см. 2 28 1-го тома). Энергия, которая передается при упругом ударе второй частице, определяется выражением п~ря ччс)0 4пчьч Упр ~Г 2 „~, 1а Если гл,((гп„это выражение упрощается следующим образом: где В'и — первоначальная энергия ударяющейся частицы. Из (83.Ц вытекает, что легкая частица (электрон), ударяясь упруго о тяжелую частицу (молекулу), сообщает ей лишь малую долю своего запаса энергии. Легкая частица «отскакиваетз от тяжелой, подобно мячу от стенки, с практически ие изменяющейся по величине скоростью. Соответствующий расчет дает, что при нецеитральпоч ударе доля передаваемой энергии оказывается еще меньше.
При достаточно большой энергии ударяющей частицы (электрона или иона) молекула может быть возбуждена пли ионизирована. В этом случае суммарная кинетическая энергия частиц ие сохра- ГЛ. ХП. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В ГАЗАХ 240 где Л))т.„— приращение внутренней энергии молекулы, соответ- ствующее ее переходу в возбужденное состояние. Исключив пт из этих уравнений, получим (83.3) При заданной скорости ударяющей частицы (п„) приращение внутренней энергии Л))т,„зависит от скорости п„с которой молекула движется после удара.
Найдем наибольшее возможное значение Лй',„. Для этого продифференцируем функцию (83.3) по о, и приразняем производную нулю: и (Аатвн) юг+же же " т~ =т,ог — — Гпзв =О. Отсюда от=т,и„1(лт,+тт). Подстановка этого значения п, в формулу (83.3) дает э чч так ~Л +Л (83.4) Если ударяющая частица значительно легче ударяемой (лт,<фпз) множитель лт,/(и,+лт,) в выражении (83.4) близок к единице. Таким образом, при ударе легкой частицы (электрона) о тяжелую (молекулу) почти вся энергия ударяияцей частицы может быть затрачена на возбуждение или ионизацию молекулы '). ') В случае ионизация уравнения (83.2) усложняются, так как после соударення будет не две частицы, а три. Однако заключение о возможности затраты почти всей энергии электрона на ионизацию является справедливым. няется — часть энергии затрачивается на возбуждение или ионизацию, т.
е. иа увеличение внутренней энергии соударякицихся частиц или на разделение одной из частиц на.две. Соударения, при которых происходит возбуждение частиц, называются неупругими столкновениями первого р о д а. Молекула, находящаяся в возбужденном состоянии, при столкновении с другой частицей (электроном, ионом или нейтральной молекулой) может перейти в основное состояние, не излучив избыток энергии, а передав его этой частице. В результате суммарная кинетическая энергия частиц после удара оказывается большей, чем до удара.
Такие соударения называются н е у п р у г и и и столкновениями второго рода. Переход молекул пз метастабильного состояния в основное осуществляется за счет столкновений второго рода. При неупругом столкновении первого рода уравнения сохранения энергии и импульса имеют вид А АЗ. НОСИТЕЛИ ТОКА ПРИ САМОСТОЯТЕЛЬНОМ РАЗРЯДЕ ЗА7 Однако даже если энергия ударяющей частицы (электрона) достаточно велика, соударение не обязательно приводит к возбуждению или ионизации молекулы. Существуют определенные вероятности этих процессов, которые зависят от энергии (а следовательно и от скорости) электрона. На рис. 83.1 показан примерный ход этих вероятностей.
Чем быстрее летит электрон, тем меньший промежуток времени взаимодействует он с молекулой, пролегая вблизи нее. Поэтому обе вероятности быстро достигают максимума, а затем с увеличением энергии электрона убывают. Из рисунка видно, что И ,у Р я. ьт ~АР электрон, имеющий, например, энергию Ю', с большей вероятностью будет вызывать ионизацию молекулы, чем ее возбуждение. Фотоионизация.
Электромагнитное излучение состоит из элементарных частиц, называемых фотонами. Энер- ЛАХИй' АМАТ>ЧЛТ гня фотона равна Йь>, где й — постоян- Рис. 83,1. ная Планка, деленная на2л(см.(56.5)), ы — круговая частота излучения. Фотон может быть поглощен молекулой, причем его энергия идет на возбуждение молекулы или ее ионизацию. В этом случае ионизация молекулы называется фо тони о н и з а ц и е й.
Непосредственную (прямую) фотоионизацию способно вызвать ультрафиолетовое излучение. Энергия фотона видимого света недостаточна для Отщепления электрона от молекулы. Поэтому видимое излучение не способно вызвать прямую фотоионнзацию. Однако оно может обусловить так называемую с т у и е нч а ту ю фото и он и з а ц и ю. Этот процесс осуществляется в два этапа. На первом этапе фотон переводит молекулу в возбужденное состояние. На втором этапе происходит ионизация возбужденной молекулы за счет ее соударения с другой молекулой. В газовом разряде возможно возникновение коротковолнового излучения, способного вызывать прямую фотоионнзацию.
Лостаточно быстрый электрон может при ударе не только ионизпровать молекулу, но и перевести образовавшийся ион в возбужденное состояние. Переход иона в основное состояние сопровождается испусканием излучения болыней частоты, чем у излучения нейтральной молекулы. Энергия фотона такого излучения оказывается достаточнои для непосредственной фотоионизации. Испускание электронов поверхностью электродов. Электроны могут поступать в газоразрядный объем за счет з м и с с и н (испускания) их поверхностью электродов. Такие виды эмиссии, как термозлектронная эмиссия, вторичная электронная эмиссия и авто- электронная эмиссия, в некоторых видах разряда играют основную роль. ГЛ, ХП, ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В ГАЗАХ 24з Термоэлектронной эмиссией называется испускание электронов нагретыми твердыми или жидкимн телами.
Вследствие распределения по скоростям в металле всегда имеется некоторое число свободных электронов, энергия которых достаточна для того, чтобы преодолеть потенциальный барьер и выйти за пределы металла. При комнатной температуре количество таких электронов ничтожно мало. Однако с повышением температуры количество электронов, способных покинуть металл, очень быстро растет и прн температуре порядка 1О' К становится вполне ощутимым. Вторичной электронной эмиссией называется испускание электронов поверхностью твердого или жидкого тела при бомбардировке ее электронами или ионами. Отношение числа испущенных (вторичных) электронов к числу частиц, вызвавших эмиссию, называют коэффициентом вторичной эмиссии. В случае бомбардировки поверхности металла электронами значения этого коэффициента заключены в пределах от 0,5 (для бериллня) до 1,8 (для платины).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
