За исключением высоких полей (более 100 кВ/см) в газах при атмосферном давлении полный путь значительно больше пути по дрейфу, а тепловая скорость значительно больше дрейфовой.
Рисунок 76.
Полный путь и путь по дрейфу.
Благодаря тому, что при упругом столкновении электрон теряет малую долю энергии, он может накапливать энергию в течение многих упругих ударов, черпая ее от электрического поля. Никакие другие, более тяжелые частицы, не способны накопить энергию. Например, ионы, как и электроны, разгоняются в электрическом поле, но при первом же столкновении с нейтральной молекулой, он теряет значительную ее часть. В результате средняя энергия ионов близка к средней энергии нейтральных молекул, при комнатной температуре (293 К) эта энергия в пересчете на электронвольты составляет 0,025 эВ. Как будет показано дальше, это ничтожно мало в масштабах газового разряда.
Итак, при учете лишь упругих столкновений, оказывается, что при движении в однородном электрическом поле тепловая скорость электрона растет, а дрейфовая остается постоянной. Какие процессы ограничивают рост энергии электрона? Это неупругие столкновения. Наиболее важны столкновения электронов с нейтральными невозбужденными молекулами, поскольку их концентрация в практически важных случаев на много порядков превышает концентрации ионов и возбужденных молекул.
При неупругих столкновениях суммарная кинетическая энергия сталкивающихся частиц не сохраняется, она переходит в другие формы – например, при возбуждении, за ее счет изменяется энергетический уровень электронной оболочки молекулы.
Характер неупругих столкновений определяется конкретным молекулярным составом газа. Далее перечислены основные виды неупругих столкновений электрона с нейтральными молекулами. Символом M обозначена молекула произвольного вида.
Ударная ионизация протекает по схеме:
При этом значительная кинетическая энергия должна быть затрачена на отрыв электрона от нейтральной молекулы. Минимальная энергия, необходимая, чтобы перевести электрон из основного состояния в свободное состояние, называется потенциалом ионизации. Так, для азота потенциал ионизации составляет 15,6 эВ (электронвольт), для кислорода 12,6 эВ. Эта энергия в сотни раз превышает тепловую энергию молекул, она может быть получена только от значительно разогнанного в электрическом поле электрона.
Возбуждение – столкновение, при котором электрон теряет часть кинетической энергии, а молекула за счет этого переходит в более высокое энергетическое состояние:
Более высокое энергетическое состояние менее выгодно, поэтому через некоторое время молекула возвратится в основное состояние, излучив квант света:
Время жизни возбужденного состояния может быть как очень коротким (10-8 с), так и достаточно длинным, до десятков секунд – такие состояние называются метастабильными.
Возбуждение важно как основной источник излучения разряда.
Рисунок 87.
Возбуждение молекулы электронным ударом.
При столкновении электрона со сложной (не одноатомной) молекулой может также произойти диссоциация:
Чтобы разъединить молекулу, необходима значительная энергия. И вновь, ее единственным источником может служить разогнанный в электрическом поле электрон. Так энергия диссоциации молекулы азота N2 – 9,5 эВ.
Рисунок 98.
Диссоциация молекулы электронным ударом.
Неупругие столкновения важны не только как источник света или новых электронов. Они являются каналами потери энергии электронами, и необходимо учесть все эти реакции в энергетическом балансе, чтобы определить интенсивность ионизации.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.