physics_saveliev_2 (535939), страница 52
Текст из файла (страница 52)
Чтобы найти наибольшее возможное значение Л))г,т продифференцируем функцию (87.3) по и, и приравняем получившееся выражение нулю: в) (азтвн) л!!+ о12 = П22О10— 1пзоз = (). Нов т, Отсюда оз = ' ою. Подставляя найденное значет,+!ив ние оз в формулу (87.3), находим, что 2 тз тРю п1, + т (87.4) ') В случае ионизацни уравнения (З7.2) усложняются, так как после соударения будет не две частицы, а три. Однако заключение о возможности затраты почти всей энергии электрона на ионизацию остается справедливым. Если ударяющая частица значительно легче ударяе- 7 т! т!010 мой ) — и," 1), множитель при — в выражении (87.4) тв 2 близок к единице.
Таким образом, прн ударе легкой частицы (электрона) о тяжелую (молекулу) почти вся энергия ударяющей частицы может быть затрачена на возбуждение или ионнзацию ') молекулы. Однако даже если энергия ударяющей частицы— электрона — достаточно велика, соударение не обязательно приводит к возбуждению илн ноннзации (87.5) молекулы. Имеется определенная вероятность обоих этих процессов, которая зависит от скорости, т. е. энергии электрона.
На рис. 187 показан примерный ход этих вероятностей, Чем быстрее летит электрон, тем меньший промежуток времени взаимодействует он с молекулой, пролетая вблизи нее. Поэтому обе вероятности быстро достигают максимума, а затем с увеличением энергии электрона убывают. Как видно из рисунка, электрон, имеющий, например, ь энергию (й", с большей Впзбужбеиас ~онееацея вероятностью будет вызы- вать ионизацию молеку! лы, чем ее возбуждение, ! ! Вторичная электронная эмиссия. Вторичной электронной эмиссией начз 3 зывается испускание элек- ге" тронов поверхностью тверЭяе0гоя еяенчвна Лого илн жидкого тела при бомбардировке ее Рас.
187. электронами или ионами. Отношение числа вторичных электронов Фз к числу Ф, частиц, вызвавших эмиссию, называется коэффициентом вторичной эмиссии Ур б й И, ' Коэффициент вторичной эмиссии зависит от природы поверхности и бомбардируюших ее частиц, а также от энергии этих частиц. Скорость вторичных электронов невелика и от энергии первичных частиц ие зависит.
В случае бомбардировки поверхности металлов электронами коэффициент вторичной эмиссии достигает максимума при энергии первичных электронов порядка нескольких сотен электронвольт (от 200 до 800 эв для различных металлов). Наибольшие значения коэффициента б ех заключены в пределах от 0,5 (для бериллия) до 1,8 (для платины). Для полупроводников Ьм,х может достигать гораздо больших значений (порядка !О). Таким образом, вторичную эмиссию от соответствующим образом подобранной поверхности можно использовать для «умножеиияэколичестваэлехтроиоввпучке. В электронных умножителях, предложенных впервые Л. А. Кубец- ким, вторичные электроны, нспущенные каждым иэ последовательно расположенных электродов, ускоряются электрическим полем и бомбардируют следующий электрод.
С помощью таких приборов достигается усиленна электронных пучков в сотни раз. Автоэлектрониая эмиссия. Если вблизи поверхности металла создать электрическое поле очень большой на» пряженности (-1О' в/см), наблюдается нспусканне элен тронов, называемое автоэлектронной (или хо» л одной) эмиссией.
Это явление иногда называют Ж лат« также вырыванием элек- ~Р~ллллллег~~"" лем. Автоэлектронная эмиссия была объяснена квантовой теорией. При наличии Сил»лм сильного поля препятствую- »»»«е щий выходу электронов потенциальный барьер па поверхности металла выглядит так, как показано на рис. 188. Согласно квантовой механике имеется отличная от нуля вероятность того, что элементарная частица пройдет через потенциальный барьер даже в том случае, когда ее энергия меньше, чем высота барьера.
Частица как бы проходит через туннель в барьере, в связи с чем это явление называют туннельным эффекто м. Вероят. ность туннельного эффекта растет с уменьшением ши« рины барьера. Поэтому автоэлектронная эмиссия наблюдается лишь в очень сильных полях. Фотоионизация. Электромагнитное излучение («свет») состоит из элементарных частиц — ф о т о н о в. Энергия фотона равна йт, где й — постоянная Планка, ч — частота излучения.
Фотон может быть поглощен молекулой (см. сноску на стр. 306), причем его энергия идет на возбуждение или ионизацию. В этом случае ионизация молекулы называется фотоионизацией. Непосредственную (прямую) фотоионизацию способно вызвать ультрафиолетовое излучение. Видимое излучение (обладающее меньшей частотой) может обусловить так называемую ступенчатую фотоионнзацию. Энергия фотона видимого света недостаточна для отщепления электрона от молекулы. Однако ее хватает для того, чтобы 21 И.
В. Савельев, т, 11 32! перевести молекулу в одно из возбужденных состояний, Для ионизации молекулы, находящейся в возбужденном состоянии, требуется меньше энергии, чем для ионизации молекулы в нормальном состоянии. Поэтому ионизация молекулы, возбужденной фотоном, может быть достигнута за счет ее соударения с другой молекулой, В газовом разряде возможно возникновение коротковолнового излучения, способного вызвать прямую фотоионизацию. Достаточно быстрый электрон может при ударе не только ионизнровать молекулу, но и перевести образовавшийся ион в возбужденное состояние, Переход иона в основное состояние сопровождается испусканием излучения меньшей длины волны (т.
е. большей часто. ты), чем у излучения нейтральной молекулы. Энергия фотонов такого излучения достаточна для непосредственной фотоионизации. Кроме перечисленных процессов, в некоторых видах самостоятельного газового разряда играет большую роль явление термоэлектронной эмиссии, рассмотренное в Э 75. Имеет место также фото электронная эм исс ия (или внешний фотоэ ф ф ек т), заключающаяся в испускании электронов поверхностью металла или полупроводника при освещении ее светом с достаточно малой длиной волны. Однако роли фотоэлектронной эмиссии в различных видах самостоятельного разряда мы касаться не будем.
$ 88. Газоразрядная плазма При некоторых видах самостоятельного разряда степень ионизацни газа бывает очень большой. Газ в сильно нонизированном состоянии при условии, что суммарный заряд электронов и ионов в каждом элементарном объеме равен (или почти равен) нулю, называется плазмой'). Плазма представляет собой особое состояние вещества.
В таком состоянии находится вещество в недрах Солнца и других эвезд, обладающих температурой в десятки миллионов градусов. Плазма, возникшая вслед- ') Плазму определяют как сильно аонизированну|о квазинейтральную (т. е. почти нейтральну1о) среду, в которой хаотическое движение частиц преобладает над ях направленным перемещением под действием виешаего электрического поля, 322 ствие высокой температуры вещества, называется вы сокотемпературной (или изоте рмнческой).
Плазма, возникающая при газовом разряде, называется газоразрядной. Для того чтобы плазма находилась в стационарном состоянии, необходимо наличие процессов, восполняющих убыль ионов в результате рекомбинации. В высокотемпературной плазме это осуществляется за счет тер. мической нонизации, в газоразрядной плазме — за счет ударной ионнзации электронами, ускоренными электрическим полем. Особую разновидность плазмы представляет собой ионосфера (один из слоев атмосферы). Высокая степень ионнзации молекул ( 1%) поддерживается в этом случае за счет фотоионизацин, обусловленной ко. ротковолновым излучением Солнца, Электроны в газоразрядной плазме принимают уча» стие в двух движениях — в хаотическом движении с не. которой средней скоростью а и в упорядоченном движе» нии в направлении, противоположном Е, со средней скоро.
стью й (гораздо меньшей, чем р). Условия в плазме таковы, А что электрическое поленетоль! 1 ко обусловливает упорядочен- 1 иое движение электронов, но и 3' увеличивает скорость Г их хаотического движения. Пусть в момент включения Рас. 139. поля в газе имеется некоторое число электронов, средняя скорость которых соотч Гпш' 3 ветствует температуре газа Т„( — х- — ИТ„)'. За время между двумя последовательными соударениями с молекулами газа электрон проходит в среднем путь Х (рис.
!89; траектория электрона слегка искривлена под действием силы — еЕ). При этом поле совершает над ннм работу А=аЕ1п (88.1) где (г — проекция перемещения электрона на направление силы. Вследствие соударений с молекулами направление движения электрона все время изменяется случайным 323 образом. Поэтому работа (88.!) для отдельных участков траектории имеет разную величину и разный знак. На одних участках поле увеличивает энергию электрона, на других †уменьша. Если бы упорядоченное движение электронов отсутствовало, среднее значение 1п а следовательно н работы (88.1) было равно нулю.
Однако наличие упорядоченного движения приводит к тому, что среднее значение работы А отлично от нуля и притом положительно. Оно равно Х А = еЕйт = еЕй =, где т — средняя продолжительность свободного пробега электрона ( й << 6) .
Следовательно, поле в среднем увеличивает энергию электрона. Правда, электрон, столкнувшись с молекулой, передает ей часть своей энергии. Но, как мы-выяснили в предыдущем параграфе, доля 6 переданной при упругом ударе энергии очень мала — она в среднем равна 6 = 2нг!М, где гп — масса электрона, а М вЂ” масса молекулы ').
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
