С.Г. Калашников - Электричество (1115533), страница 80
Текст из файла (страница 80)
Оба эти обстоятельства приводят к увеличению вероятности прохождения электронов через поверхностный потенциальный барьер. Если деформация потенциального барьера достаточно велика, то уже при низкой температуре заметная доля электронов проводимости оказывается в состоянии выйти из металла, и тогда возникает автоэлектронная эмиссия.
ГЛАВА ХЪ| РАЗРЯДЫ В ГАЗАХ 8 166. Ионизация газов Газы в естественном состоянии не проводят электричества. Если поместить в сухом атмосферном воздухе хорошо изолированное заряженное тело, например заряженный электрометр с РАЗРЯДЫ В ГЛЗАХ гл хю 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.
В данном случае мы сообщили газу электропроводность, создавая в нем высокую температуру. Если бы вместо пламени горелки мы поместили вблизи электрометра подходящий источник света, например ртутную дуговую лампу (см. ниже), дающую много ультрафиолетовых лучей, то мы также наблюдали бы утечку зарядов с электрометра. Такое же действие на гэз оказывают рентгеновские лучи и излучение радиоактивных препаратов. Это показывает, что в газах под влиянием высокой температуры и различных излучений появляются заряженные частицы. Онн возникают потому, что от атомов газа отшепляется 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 отрицательные ионы. Отрыв электрона от атома (ионизация атома) требует затраты определенной энергии — энергии ионнзации. Она зависит от строения атома и поэтому различна для разных веществ. После прекращения действия ионизатора число ионов в газе с течением времени уменьшается и в 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 могут воссоединяться в нейтральный атом. Точно так же при столкновении положительного и отрицательного ионов, отрицательный нон может отдать свой избыточный электрон положительному иону и оба иона превратятся в нейтральные атомы. Этот процесс взаимной нейтрализации ионов называется рекомбинацией ионов. При рекомбинации положительного иона и электрона или двух ионов освобождается определенная энергия, равная энергии, затраченной на ионизацию. Частично 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 также будет большим, и свечение рекомбинации может быть очень сильным. Излучение света при рекомбинации является одной из причин свечения многих форм газового разряда. 1 1б7 ИОНИЗАЦИЯ ЭЛЕКТРОННЫМИ УДАРАМИ й 167. Ионизация электронными ударами В явлениях электрического разряда в газах большую роль играет ионизация атомов электронными ударами.
Этот процесс заключается в том, что движущийся электрон, обладающий достаточной кинетической энергией,при соударении снейтральным 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. 289 (опыты Джеймса Франка и Густава Герца). Исследуемый гэз 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 накали- Кх ваемый катод К, сетку С и коллектор ионов Кл.
На сетку подается положительный (отно- ч сительно катода) потел- Д1 Дг пиал, коюрый можно изменять при помощи делителя напряжения и измсрять вольт- метром г'. На коллек- рис. 289. Схема опытов Д. Франка и Г. Герца тор ионов накладывается отрицательный потенциал, на 0,8 — 1,0 В больший, чем потенциал катода. Эта небольшая разность потенциалов снимается с делителя напряжения Дг, положительный конец которого соединен с катодом. В подобных опытах катод обычно нагревают излучением вспомогательной спирали, помев1енпой внутрь катода. Этим устраняется изменение потенциала вдоль катода, вызываемое током накала, н поэтому все точки такого катода имеют одни и тот же потенциал (катоды косвенного нагрева, или эквипотенпивльные катоды) . 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 1у', то каждый электрон приобретает кинетическую 386 гл хи| РАЗРЯД|4 В ГЛЗАХ энергию (выраженную в электронвольтах) ти2/2 = е17. (167.1) 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 отсутствие ионизации все электроны тормозятся, не долетая до коллектора, и поэтому ток через гальванометр равен нулю Если, однако, постепенно повышать разность потенциалов У между сеткой и катодом, то, когда энергия электронов сделается равной энергии ионизации, в пространстве сетка — коллектор появятся положительные ионы, Они будут двигаться к коллектору, и гальванометр обнаружит ток.
Поэтому, измеряя наименьший потенциал сетки Г(,при котором впервые появляется ток коллектора, можно найти энергию ионизации атомов исследуемого газа. В точных измерениях прнходнтся еще учитывать то обстоятельство, что если катод н сетка сделаны нз разных металлов, то между ними существует электрическое поле прн нулевом показании вольтметра Ч, а, следовательно, на отрезке катод-сетка уже имеется некоторая разность потенциалов ььнь Это — так называемая кокгпактнал разность патенциалащ возникающая всегда между двумя различными металлами (5 198) Поэтому более точное выражение для энергии электронов имеет внд ьпи /2 = е(7+ ебь ь (157 1а) Контактную разность потенциалов можно всегда определить на опыте н ввести соответствующую поправку к показаниям вольтметра 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 и притом с очень большой точностью. Значения энергии ионизапии, найденные по спектрам, хорошо совпадыот с ес значениями, определенными методом электронных ударов. В табл. 12 даны значения энергии ионизации некоторых атомов. Таблица 12 Элемент Не Не Аг Нб (ььа К КЬ Энергия ноннзацнн, эВ 24,5 21,5 13,9 10,4 5,12 4,32 4,б8 9 168.
Движение ионов в газах В 3 146, 147 мы видели, что вследствие соударений электронов с кристаллической решеткой металла появляется определенная сила трения, пропорциональная скорости, и поэтому скорость упорядоченного движения электронов и оказывается 387 1 1св ДВИЖЕНИЯ ИОНОВ В ГЛЗЛХ пропорциональной напряженности поля Е. Этот закон оказывается применимым и к газовым ионам, если они испытывают много соударений; поэтому можно считать, что Вл = 6~Е. (168.1) Здесь 6~ — подвижность газовых ионов, аналогичная подвижности электронов в металлах Она равна средней скорости, приобретаемой ионами в поло с напряженностью, равной единице, и в системе единиц СИ выражается в мз/(В с). Индексы + и — обозначают, что подвижности положительных и отрицательных ионов различны, и поэтому скорость, приобретаемая ими в одном и том же поле, также неодинакова.
Соотношение (168.1) справедливо в том случае, если число соударений достаточно велико, т.е. если средняя длина свободного пути 1 ионов газа значительно меньше расстояния д между электродами. Обычно это условие выполняется, начиная с давлений газа в несколько десятых мм рт. ст, и выше. Если же | » д, то мы говорим, что ионы движутся в вакууме. В этом случае движение ионов будет происходить без сопротивления и ионы в электрическом поле будут двигаться с ускорением. Подвижность ионов данного типа тем больше, чем меньше сила трения, испьггываемая ими со стороны окружающих атомов газа. А сила трения тем меньше, чем меньше число соударений,которое в свою очередь пропорционально давлению газа.
Поэтому в очень широком интервале изменения давлений подвижность ионов обратно пропорциональна давлению газа, т.е. бр = сопв1. (168.2) Значения подвижностей некоторых ионов прн р = 700 мм рт. ст. и Т = 18 'С приведены в табл. 13. Таблииа 13 Однако движение ионов в газах более сложно, чем движение электронов в металлах В газовых разрядах часто наблюдается неравномерное распределение ионов между электродами, при котором градиент концентрации ионов дп/Нз не равен нулю, н поэтому возникает заметный поток диффузии ионов Заряд, переносимый положительными ионами вследствие диффузии через единицу поверхности в единицу времени 1плотность тока 388 гл хю РАЗРЯДЫ В ГАЗАХ диффузии), равен Йи, — аР+ —, 4х ' где Р+ — коэффициент диффузии ионов, д — заряд иона. Ко- личество электричества, проходящее через ту же площадку за единицу времени вследствие упорядоченного движения ионов под действием поля (плотность тока дрейфа), есть оп+Ь+Е.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
