§ 177. Ионизованный газ

Превращение атома в положительный ион, т. е. отрыв электрона от атома, может произойти самыми различными способами. Удар электроном, другим атомом или молекулой, поглощение фотона — все эти способы передачи энергии могут привести к ионизации атома, если только подводится количество энергии, достаточное для преодоления сил связи электрона с атомом. Эта энергия для разных атомов и молекул колеблется в пределах (см. также § 193). Это значит, что ионизация атома может быть совершена электроном, который разогнан напряжением 4—25 В. Разумеется, частица большей энергии способна превратить в ионы столько атомов или молекул, на сколько у нее хватит запаса энергии. Один электрон, разогнанный в мощном ускорителе, способен создать миллионы пар ионов.

Ионизация атома состоит в отрыве от него электрона; ионизация молекулы может привести также к отрыву электрона, однако в иных случаях молекула делится при ионизации на два крупных иона. Таким образом, ионизация создает не только электроны и положительные ионы, но может привести и к образованию отрицательных ионов. Однако отрицательные ионы получаются и иным путем, а именно, присоединением к нейтральному атому свободного электрона. Оказывается (см. § 196), что такой процесс энергетически выгоден.

Ионизационные процессы в твердых телах будут подробно изучаться в § 258. Здесь проблема ионизации интересует нас только как способ, при помощи которого можно создать потоки ионов. С этой точки зрения интерес представляет лишь ионизация газов. Если мы хотим получить поток ионов вещества, существующего при нормальных условиях в виде твердого или жидкого тела, то приходится прибегать к испарению.

Рассмотрим ионизацию газа, производимую потоком каких-либо частиц. Если источник ионизации убран, то начнется воссоединение (рекомбинация) положительно и отрицательно заряженных частиц в нейтральные атомы или молекулы. Так как при рекомбинации встречается пара частиц, то естественно, что скорость рекомбинации будет пропорциональна квадрату числа ионов в единице объема Если число ионов, превращающихся в нейтральные частицы в единицу времени в единице объема, то где у — коэффициент, имеющий значение порядка для большинства газов при нормальных условиях. При постоянном действии ионизатора между процессами ионизации и рекомбинации должно установиться равновесие. Пусть ионизатор создает в единицу времени пар ионов в единице объема. Сначала число ионов в газе будет нарастать, но так как рекомбинация будет происходить все чаще (пропорционально квадрату наличного числа пар ионов), то нарастание ионов прекратится, когда т. е. Если ионизованный газ заполняет некоторый объем и если хаотическое движение частиц

газа является преобладающим, то такой электропроводящий газ, состоящий из нейтральных и заряженных частиц, называют плазмой (см. ниже).

Важным примером сильно ионизованного газа является ионосфера. Число заряженных частиц в единице объема ионосферы подвержено сильным колебаниям, суточным и годовым. Как известно, эти колебания сказываются на радиоприеме. В 1 см3 ионосферы находится электронов и ионов. Всего же частиц в этом объеме Таким образом, степень ионизации ионосферы В интенсивных плазмах, образующихся в различных ионных приборах, степень ионизации имеет такой же порядок величины.