§ 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 основным. Для того чтобы перевести молекулу из основного в различные возбужденные состояния, требуются определенные значения энергии и т. д. Сообщив молекуле достаточно большую энергию можно вызвать ее ионизацию.

Перейдя в возбужденное состояние, молекула обычно пребывает в нем всего лишь , после чего переходит в основное состояние, излучив избыток энергии в виде кванта света — фотона. В некоторых возбужденных состояниях, называемых метастабильными, молекулы могут находиться значительно дольше (примерно ).

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 упругим. Найдем энергию, сообщаемую ударяемой частице при упругом ударе.

Пусть частица массы имеющая скорость ударяется о неподвижную частицу массы При центральном ударе должны выполняться условия

где — скорости частиц после удара. Из этих уравнений получается для скорости второй частицы значение

(см. § 28 1-го тома). Энергия, которая передается при упругом ударе второй частице, определяется выражением

Если это выражение упрощается следующим образом: д

где — первоначальная энергия ударяющейся частицы.

Из (83.1) вытекает, что легкая частица (электрон), ударяясь упруго о тяжелую частицу (молекулу), сообщает ей лишь малую долю своего запаса энергии. Легкая частица «отскакивает» от тяжелой, подобно мячу от стенки, с практически не изменяющейся по величине скоростью. Соответствующий расчет дает, что при нецентральном ударе доля передаваемой энергии оказывается еще меньше.

При достаточно большой энергии ударяющей частицы (электрона или иона) молекула может быть возбуждена или ионизирована.

В этом случае суммарная кинетическая энергия частиц не сохраняется — часть энергии затрачивается на возбуждение или ионизацию, т. е. на увеличение внутренней энергии соударяющихся частиц или на разделение одной из частиц на две.

Соударения, при которых происходит возбуждение частиц! называются неупругими столкновениями первого рода. 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 неупругими столкновениями второго рода. Переход молекул из метастабильного состояния в основное осуществляется за счет столкновений второго рода.

При неупругом столкновении первого рода уравнения сохранения энергии и импульса имеют вид

где — приращение внутренней энергии молекулы, соответствующее ее переходу в возбужденное состояние. Исключив из этих уравнений, получим

При заданной скорости ударяющей частицы приращение внутренней энергии зависит от скорости с которой молекула движется после удара. Найдем наибольшее возможное значение . Для этого продифференцируем функцию (83.3) по и приравняем производную нулю:

Отсюда Подстановка этого значения в формулу (83.3) дает

Если ударяющая частица значительно легче ударяемой множитель в выражении (83.4) близок к единице. Таким образом, при ударе легкой частицы (электрона) о тяжелую (молекулу) почти вся энергия ударяющей частицы может быть затрачена на возбуждение или ионизацию молекулы.

Рис. 83.1.

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, пролетая вблизи нее. Поэтому обе вероятности быстро достигают максимума, а затем с увеличением энергий электрона убывают. Из рисунка видно, что электрон, имеющий, например, энергию W, с большей вероятностью будет вызывать ионизацию молекулы, чем ее возбуждение.

Фотоионизация. Электромагнитное излучение состоит из элементарных частиц, называемых фотонами. Энергия фотона равна где h — постоянная Планка, деленная на (см. (56.5)), — круговая частота излучения. Фотон может быть поглощен молекулой, причем его энергия идет на возбуждение молекулы или ее ионизацию. В этом случае ионизация молекулы называется фотоионизацией. Непосредственную (прямую) фотоионизацию способно вызвать ультрафиолетовое излучение. Энергия фотона видимого света недостаточна для отщепления электрона от молекулы. Поэтому видимое излучение не способно вызвать прямую фотоионизацию. Однако оно может обусловить так называемую ступенчатую фотоионизацию. 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 фотоионизацию. Достаточно быстрый электрон может при ударе не только ионизировать молекулу, но и перевести образовавшийся ион в возбужденное состояние. Переход иона в основное состояние сопровождается испусканием излучения большей частоты, чем у излучения нейтральной молекулы. Энергия фотона такого излучения оказывается доста точной для непосредственной фотоионизации.

Испускание электронов поверхностью электродов. Электроны могут поступать в газоразрядный объем за счет эмиссии (испускания) их поверхностью электродов. Такие виды эмиссии, как термоэлектронная эмиссия, вторичная электронная эмиссия и автоэлектронная эмиссия, в некоторых видах разряда играют основную роль.

Термоэлектронной эмиссией называется испускание электронов нагретыми твердыми или жидкими 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 при температуре порядка 103 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 бериллия) до 1,8 (для платины).

Автоэлектронной (или холодной) эмиссией называется испускание электронов поверхностью металла, происходящее в том случае, когда вблизи поверхности создается электрическое поле очень большой напряженности Это явление иногда называют также вырыванием электронов электрическим полем.