Из разнообразных методов измерения подвижностей газовых ионов опишем два простейших.
1. Метод переменного поля. Этот метод был предложен Резерфордом. В стеклянном сосуде $S$, наполненном исследуемым газом, имеются два плоских электрода: сплошной $B$ и сетка $A$ (рис. 258). Платиновая проволока $C$, нагреваемая электрическим током до высокой температуры, создает ионы в пространстве между $C$ и $A$. Ионы определенного знака увлекаются к сетке $A$ электрическим полем, создаваемым батареей $B_{2}$. Между электродами $A$ и $B$ с помощью трансформатора $T$ создается переменная разность потенциалов $V=V_{0} \sin \omega t$ и соответствующее ей электрическое поле $E=\left(V_{0} / l\right) \sin \omega t$, где $l-$ расстояние между электродами $A$ и $B, \mathrm{a} \omega-$
Рис. 258 круговая частота, с которой изменяется переменное напряжение $V$. Допустим, что ион, скажем положительный, проходит через сетку $A$ в момент времени $t=0$, когда электрическое поле $E$ равно нулю. Далее он движется по направлению к электроду $B$ со скоростью $v=b E=\left(V_{0} b / l\right) \sin \omega t$, проходя за время $t$ путь
\[
x=\int v d t=\frac{V_{0} b}{l \omega}(1-\cos \omega t) .
\]

Наибольшее расстояние, на которое ион может удалиться от $A$, будет $x_{\text {макс }}=$ $=2 V_{0} b /(l \omega)$. Если это расстояние меньше $l$, то заряд на электрод $B$ и соединенный с ним электрометр Э не попадет. Повышая амплитуду напряжения $V_{0}$, можно добиться того, чтобы $x_{\text {макс }}=l$. Тогда электрометр начнет давать показания, и подвижность иона $b$ можно вычислить по формуле
\[
b=\frac{l^{2} \omega}{2 V_{0}}=\frac{\pi l^{2}}{V_{0} T},
\]

где $T=2 \pi / \omega-$ период колебаний переменного напряжения.
2. Метод Зелени (1884-1954). Внутренний цилиндр цилиндрического конденсатора был разрезан на две части $B B^{\prime}$ и $C C^{\prime}$, изолированные друг от друга (рис. 259). Во внешнем цилиндре $A A^{\prime}$ имелась узкая щель $m n$, через которую перпендикулярно к оси прибора можно было впускать пучок рентгеновских лучей, ионизовавший газ в области $m n$, ограниченной на рис. 259 двумя вертикальными штриховыми плоскостями. Внутренний цилиндр $C C^{\prime}$ был соединен с электрометром, а наружный цилиндр $A A^{\prime}$ – с одним из полюсов батареи. Другой полюс батареи, электрометр и ци-

Рис. 259 линдр $B B^{\prime}$ были заземлены. В конденсаторе создавалось радиальное электрическое поле
\[
E=\frac{V}{r \ln \left(r_{2} / r_{1}\right)},
\]

где $V$ – напряжение между обкладками конденсатора, $r$ – расстояние от оси прибора, $r_{1}$ и $r_{2}$ – радиусы внутреннего и наружного цилиндров. Это электрическое поле собирает на цилиндрах $B B^{\prime}$ и $A A^{\prime}$ ионы, образованные рентгеновскими лучами. Если цилиндр $B B^{\prime}$ заряжен отрицательно, то к нему устремятся положительные ионы. Если же цилиндр $B B^{\prime}$ заряжен положительно, то он соберет отрицательные ионы. Существенно, что ни один ион не попадет на внутренний цилиндр $C C^{\prime}$, а следовательно, и на электрометр. Не то будет, если газ между цилиндрами продувается с определенной постоянной скоростью $v$. В этом случае ионы будут двигаться не только радиально к оси конденсатора, но и параллельно ей. Время, потребное иону для прохождения расстояния от наружного цилиндра до внутреннего, определяется выражением
\[
t_{1}=\int_{r_{1}}^{r_{2}} \frac{d r}{b E}=\frac{\ln \left(r_{2} / r_{1}\right)}{V b} \int_{r_{1}}^{r_{2}} r d r=\frac{\left(r_{2}^{2}-r_{1}^{2}\right) \ln \left(r_{2} / r_{1}\right)}{2 V b} .
\]

Время же, которое требуется иону, чтобы от области ионизации $m n$ дойти до цилиндра $C C^{\prime}$, равно $t_{2}=l / v$, где $l$ – расстояние от $m n$ до цилиндра $C C^{\prime}$. Если уменьшить напряжение $V$, то в некоторый момент ионы начнут попадать на цилиндр $C C^{\prime}$ и на электрометр. Это произойдет, когда $t_{1}=t_{2}$, т. е. когда
\[
b=\frac{v\left(r_{2}^{2}-r_{1}^{2}\right) \ln \left(r_{2} / r_{1}\right)}{2 V l} .
\]

По этой формуле и может быть вычислена подвижность $b$.
3. В табл. 9 приведены результаты измерений подвижностей различных ионов при давлении 1 атм и температуре $18^{\circ} \mathrm{C}$.
Таблица 9. Значения подвижностей ионов газов
Как показывает опыт, подвижность ионов в широких пределах обратно пропорциональна давлению $\mathscr{P}$. Это понятно, так как подвижность пропорциональна длине свободного пробега иона (см. § 42), а последняя в свою очередь обратно пропорциональна давлению $\mathscr{P}$.

Подвижность положительных ионов не зависит заметно от напряженности поля $E$. При не слишком больших $E$ подвижность отрицательных ионов также не зависит от $E$, но при больших $E$ она начинает возрастать с увеличением $E$. При дальнейшем увеличении $E$ возрастание подвижности замедляется, и, наконец, в еще более сильных полях подвижность снова делается постоянной. Подвижность ионов, в особенности отрицательных, очень сильно зависит оr ничтожного количества некоторых примесей. Так, для гелия при давлении 1 атм, содержащего следы кислорода, $b^{+}=5,09 \mathrm{~cm}^{2} /(\mathrm{c} \cdot \mathrm{B}), b^{-}=6,31 \mathrm{~cm}^{2} /(\mathrm{c} \cdot \mathrm{B})$. В совершенно чистом гелии подвижность положительных ионов $b^{+}$ остается почти той же, тогда как $b^{-}$достигает огромной величины $500 \mathrm{~cm}^{2} /(\mathrm{c} \cdot \mathrm{B})$. Эти факты объясняются тем, что при ионизации газа происходит вырывание из атома или молекулы электрона, который вначале и является отрицательным ионом. Остаток же атома или молекулы становится положительным ионом. Поскольку масса электрона очень мала по сравнению с массой атома или молекулы, следовало бы ожидать, что его подвижность должна во много раз превосходить подвижность положительного иона. Однако, как показывает табл. 9, различие между $b^{-}$и $b^{+}$не так уж велико. Это объясняется тем, что электрон очень скоро, столкнувшись с нейтральной частицей, «прилипает» к ней, образуя отрицательный ион, подвижность которого почти равна подвижности положительного иона. В особенности быстро процесс «прилипания» электронов должен происходить в газах, атомы которых обладают большим сродством к электрону. Таковым является, например, кислород, от ничтожных примесей которого вообще трудно избавиться. При рассмотрении влияния всех этих процессов на подвижность ионов необходимо иметь в виду, что измерение дает некоторую среднюю подвижность, которая, конечно, зависит от соотношения между числом быстрых и медленных ионов. Так же объясняется и влияние напряженности поля $E$ на величину подвижности отрицательных ионов. Дело в том, что с увеличением напряженности электрического поля возрастает скорость электрона, вследствие чего уменьшается вероятность прилипания его к нейтральным частицам. Благодаря этому средняя подвижность отрицательного иона возрастает. Для положительного иона это произойти не может, так как он образуется уже в первый момент ионизации и в дальнейшем не меняет свою массу. В этом случае подвижность не должна зависеть от напряженности поля.