1. Газы в нормальном состоянии, в том числе и пары металлов, состоят из электрически нейтральных атомов и молекул и по этой причине не проводят электричества. Проводниками электричества могут быть только ионизованные газы. Помимо нейтральных молекул и атомов в них содержатся электроны, положительные и отрицательные ионы. Ионы в газах могут возникать под действием высоких температур, рентгеновских и ультрафиолетовых лучей, лучей радиоактивных элементов, космических лучей, в результате столкновений атомов газа с электронами и другими быстрыми элементарными и атомными частицами и т. д. Во всех этих случаях происходит вырывание из электронной оболочки атома или молекулы одного или нескольких электронов. Этот процесс называется ионизацией. Он приводит к освобождению электронов и образованию положительных ионов. Освободившиеся электроны могут присоединяться к нейтральным молекулам и атомам, превращая их в отрицательные ионы. Ионы и свободные электроны делают газ проводником электричества. Впрочем, и в нормальных условиях газы, например воздух, обладают электрической проводимостью, хотя и весьма ничтожной. Эта проводимость вызвана излучением радиоактивных веществ, имеющихся на поверхности Земли, а также космическими лучами, приходящими на Землю из мирового пространства. Электрическая проводимость воздуха была обнаружена еще Кулоном (1785). Наблюдая потери электричества с изолированных проводников, он пришел к заключению, что часть электричества теряется не через изоляторы, а прямо в воздух. Это заключение с особой убедительностью было подтверждено Чарлзом Бойсом (1855-1944) в 1889 г. Подвесив золотые листочки электроскопов к двум цилиндрам из кварца, из которых один был коротким и толстым, а другой – длинным и тонким, он наблюдал, что в обоих случаях потеря электричества была одинакова. Это было бы не так, если бы электричество уходило с листочков только через кварцевые цилиндры. Систематическое изучение электрических токов и разрядов в газах было начато лишь в конце XIX века. Была установлена природа газовых разрядов в различных условиях. Однако, ввиду сложности этих явлений, точной количественной теории их не существует до настоящего времени.

Ионизация газа, возникающая в результате вырывания электронов из молекул и атомов самого газа, называется обгемной ионизацией, так как источники ионов здесь распределены в объеме, занимаемом газом. Помимо объемной ионизации существует поверхностная ионизация. При такой ионизации ионы или электроны поступают в газ со стенок сосуда, в котором он заключен, или с поверхности тел, вносимых в газ. Например, источниками электронов могут служить раскаленные тела (термоэлектронная эмиссия) или поверхности металлов, освещаемые ультрафиолетовыми и прочими коротковолновыми электромагнитными излучениями ( фотоэлектрический эффект).
2. После прекращения действия ионизатора положительные и отрицательные ионы газа соединяются между собой с образованием нейтральных молекул и атомов. Этот процесс называется рекомбинацией. В результате рекомбинации проводимость газа пропадает или, во всяком случае, возвращается к своему исходному значению. Проводимость спадает не сразу, а постепенно, так как для полной рекомбинации ионов газа требуется конечное время.

Следующий опыт может служить демонстрацией этого явления, а также явления ионизации газа. Внутри вертикальной металлической трубы на различной высоте укреплены металлические электроды, соединенные с наружными электроскопами проводами, изолированными от стенок трубы (рис. 250 a). Под нижнее отверстие трубы подносят
Рис. 250

зажженную свечу. В пламени последней образуются положительные и отрицательные ионы, уносимые вверх горячими газами. Воздух в трубе начинает проводить электричество, и листочки электроскопов спадают. Опыт показывает, что чем выше расположен электрод, тем медленнее спадают листочки соединенного с ним электроскопа. Дело в том, что за время поднятия вверх заметная доля ионов рекомбинирует и проводимость поднявшегося воздуха уменьшается. Поэтому скорость спада листочков электроскопа вверху должна быть меньше, чем внизу. Процесс спадания проводимости газа после прекращения действия ионизатора можно ускорить путем создания в газе электрического поля. Электрическое поле может практически мгновенно уничтожить повышенную проводимость газа. Изменим постановку предыдущего опыта, поместив в трубе пластины плоского воздушного конденсатора, как указано на рис. 250 б. Если повторить опыт с незаряженным конденсатором, то после зажжения свечи листочки электроскопа спадают, как и раньше. Если же предварительно зарядить конденсатор, то после зажжения свечи спадания листочков не наблюдается. Ионы, поднимающиеся вверх вместе с потоком нагретого воздуха, увлекаются электрическим полем к пластинам конденсатора и выбывают из потока. Поэтому воздух после прохождения между пластинами конденсатора перестает проводить электричество, чем и объясняется результат опыта.

Проводимость ионизованного воздуха в предыдущих опытах можно также уничтожить, пропустив струю восходящего воздуха через слой ваты, как указано на рис. 250 в. При прохождении через вату происходит нейтрализация ионов.
3. Допустим, что источник создает в единицу времени в единице объема газа $q$ пар ионов разных знаков. Допустим, далее, что в газе нет электрического тока и можно пренебречь уходом ионов из-за диффузии. Тогда единственным процессом потери ионов в газе останется рекомбинация. Обозначим через $n$ число пар ионов разных знаков в единице объема газа. Рекомбинация происходит при встрече положительного иона с отрицательным. Число таких встреч пропорционально как числу положительных, так и числу отрицательных ионов, т. е. $n^{2}$. Поэтому убыль числа пар ионов в единицу времени в единице объема газа пропорциональна $n^{2}$ и может быть записана в виде $\alpha n^{2}$, где $\alpha$ постоянная, называемая коэффициентом рекомбинации ионов разных знаков. При справедливости введенных допущений уравнение баланса ионов в газе запишется в виде
\[
d n / d t=q-\alpha n^{2} .
\]

В стационарном состоянии $d n / d t=0$,
\[
n=\sqrt{q / \alpha} \text {. }
\]

После выключения ионизатора
\[
d n / d t=-\alpha n^{2},
\]

откуда
\[
\frac{1}{n}-\frac{1}{n_{0}}=\alpha t,
\]

где $n_{0}$ – концентрация пар положительных и отрицательных ионов при $t=0$, т. е. в момент выключения ионизатора. Спустя время
\[
\tau=1 /\left(n_{0} \alpha\right)
\]

концентрация $n$ убывает в 2 раза. Таким образом, убыль концентрации происходит не в геометрической прогрессии, а более медленно, так как время, в течение которого концентрация уменьшается вдвое, по мере уменьшения последней становится все больше и больше и в пределе при $n \rightarrow 0$ обращается в бесконечность.

Измерение потенциала ионизации методом электронного удара 473
Если включен ионизатор, то надо интегрировать уравнение (109.1). Допустим, что в момент включения ионизатора $n=0$. Отсчитывая время $t$ от этого момента и учитывая, что $q-\alpha n^{2}>0$, получим в результате интегрирования
\[
n=\sqrt{q / \alpha} \operatorname{th}(t / \tau),
\]

где время $\tau$ получится из (109.4), если подставить $n_{0}=\sqrt{q / \alpha}$, т.е. $\tau=$ $=\sqrt{1 /(q \alpha)}$.
ЗАДАЧА
В момент времени $t=0$ начинает действовать ионизатор, создающий в единице объема газа $q$ пар положительных и отрицательных ионов в единицу времени. Предполагая, что $q=$ const, найти выражение для концентрации пар ионов во все последующие моменты времени.
\[
\text { Ответ. } n=\sqrt{\frac{q}{\alpha}} \frac{\left(\sqrt{q}+n_{0} \sqrt{\alpha}\right)-\left(\sqrt{q}-n_{0} \sqrt{\alpha}\right) e^{-2 t / \tau}}{\left(\sqrt{q}+n_{0} \sqrt{\alpha}\right)+\left(\sqrt{q}-n_{0} \sqrt{\alpha}\right) e^{-2 t / \tau}} \text {, где } \tau=1 / \sqrt{q \alpha} \text {. }
\]

Заметим, что формула верна как при $n_{0}<\sqrt{q / \alpha}$, так и при $n_{0}>\sqrt{q / \alpha}$. В последнем случае концентрация убывает, несмотря на то что ионизатор непрерывно поставляет новые ионы.