Сечения процессов ионизации и возбуждения УФ излучения при столкновениях электронов, ионов и фотонов с атомами и молекулами атмосферных газов

Сечения процессов ионизации и возбуждения УФ излучения при столкновениях электронов, ионов и фотонов с атомами и молекулами атмосферных газов. Справочник

Редактор: Авакян Сергей Вазгенович С. В.

Построение оптических моделей верхних атмосферных планет, анализ и интерпретация результатов космических экспериментов предполагают детальное знание всех основных процессов ионизации, возбуждения и излучения атмосферных газов. В справочнике последовательно изложены сведения о таких процессах применительно к ультрафиолетовому излучению газов планетных атмосфер. Приведены оригинальные и рекомендованные сечения элементарных процессов взаимодействия квантов, электронов, протонов, атомов водорода и ионов гелия с оценкой их точности. Справочник предназначен для специалистов в области физики плазмы, геофизики, астрономии, планетологии, аэрономии, физики ионосферы, спектроскопии, физики атомных столкновений и космической техники.

Использование материалов ЭБ РФФИ

Воспроизведение материалов из ЭБ в любой форме требует письменного разрешения РФФИ. Пользователи вправе в индивидуальном порядке использовать материалы, находящиеся на сайте РФФИ, для некоммерческого использования.

Пользователь обязуется не осуществлять (и не пытаться получить) доступ к каким-либо материалам ЭБ иным способом, кроме как через интерфейс Сайта.

Пользователь обязуется не воспроизводить, не дублировать, не копировать, не продавать, не осуществлять торговые операции и не перепродавать материалы ЭБ для каких-либо целей.

Другие произведения в разделе:

• Книги, изданные при поддержке РФФИ
• Вестник РФФИ, издание на русском языке
• Вестник РФФИ, издание на английском языке
• Вестник РФФИ. Гуманитарные и общественные науки
• Научно-популярные статьи и фотоматериалы
• Аннотированные отчеты по проектам РФФИ

© 1992–2020, Российский фонд фундаментальных исследований

Россия, 119334, Москва, Ленинский проспект, 32а, 20-21 этаж
Телефон для справок: +7 (499) 941-01-15

Свободные заряды в газе

Возникновение электрического тока между пластинами кондесатора означает, что в воздухе под воздействием пламени появились свободные заряды. Какие именно?

Опыт показывает, что электрический ток в газах является упорядоченным движением заряженных частиц трёх видов. Это электроны, положительные ионы и отрицательные ионы.

Давайте разберёмся, каким образом эти заряды могут появляться в газе.

При увеличении температуры газа тепловые колебания его частиц — молекул или атомов — становятся всё интенсивнее. Удары частиц друг о друга достигают такой силы, что начинается ионизация — распад нейтральных частиц на электроны и положительные ионы (рис. 3 ).

Рис. 3. Ионизация

Степенью ионизации называется отношение числа распавшихся частиц газа к общему исходному числу частиц. Например, если степень ионизации равна , то это означает, что исходных частиц газа распалось на положительные ионы и электроны.

Степень ионизации газа зависит от температуры и резко возрастает с её увеличением. У водорода, например, при температуре ниже степень ионизации не превосходит , а при температуре выше степень ионизации близка к (то есть водород почти полностью ионизирован (частично или полностью ионизированный газ называется плазмой)).

Помимо высокой температуры имеются и другие факторы, вызывающие ионизацию газа.

Мы их уже вскользь упоминали: это радиоактивные излучения, ультрафиолетовые, рентгеновские и гамма-лучи, космические частицы. Всякий такой фактор, являющийся причиной ионизации газа, называется ионизатором.

Таким образом, ионизация происходит не сама по себе, а под воздействием ионизатора.

Одновременно идёт и обратный процесс — рекомбинация, то есть воссоединение электрона и положительного иона в нейтральную частицу (рис. 4 ).

Рис. 4. Рекомбинация

Причина рекомбинации проста: это кулоновское притяжение противоположно заряженных электронов и ионов. Устремляясь навстречу друг другу под действием электрических сил, они встречаются и получают возможность образовать нейтральный атом (или молекулу — в зависимости от сорта газа).

При неизменной интенсивности действия ионизатора устанавливается динамическое равновесие: среднее количество частиц, распадающихся в единицу времени, равно среднему количеству рекомбинирующих частиц (иными словами, скорость ионизации равна скорости рекомбинации).Если действие ионизатора усилить (например, повысить температуру), то динамическое равновесие сместится в сторону ионизации, и концентрация заряженных частиц в газе возрастёт. Наоборот, если выключить ионизатор, то рекомбинация начнёт преобладать, и свободные заряды постепенно исчезнут полностью.

Итак, положительные ионы и электроны появляются в газе в результате ионизации. Откуда же берётся третий сорт зарядов — отрицательные ионы? Очень просто: электрон может налететь на нейтральный атом и присоединиться к нему! Этот процесс показан на рис. 5 .

Рис. 5. Появление отрицательного иона

Образованные таким образом отрицательные ионы будут участвовать в создании тока наряду с положительными ионами и электронами.

Рекомбинация

Процесс ионизации газа всегда сопровождается противоположным ему процессом восстановления нейтральных молекул из разноименно заряженных ионов (или из положительных ионов и электронов) вследствие их электрического (кулоновского) притяжения (рис. 3.13). Такой процесс называют рекомбинацией заряженных частиц. Если действие ионизатора неизменно, то в ионизованном газе устанавливается динамическое равновесие, при котором в единицу времени восстанавливается столько же молекул, сколько их распадается на ионы. При этом концентрация заряженных частиц в ионизованном газе сохраняется неизменной. Если же прекратить действие ионизатора, то рекомбинация начнет преобладать над ионизацией и число ионов быстро уменьшится почти до нуля. Следовательно, наличие заряженных частиц в газе — явление временное (пока действует ионизатор). Этим ионизация газа отличается от электролитической диссоциации. В растворе количество диссоциированных молекул остается неизменным сколь угодно долго.

1. Что представляет собой электрический ток в газах?

2. Охарактеризуйте процессы ионизации и рекомбинации.

3. В чем отличие несамостоятельного газового разряда от самостоятельного?

4. Каковы условия существования несамостоятельного и самостоятельного газового разряда?

5. При каких условиях несамостоятельный газовый разряд переходит в самостоятельный?

6. Почему газовый разряд не подчиняется закону Ома?

7. Охарактеризуйте типы самостоятельного разряда.

8. Проанализируйте построенный Вами график зависимости U _вых = f ( U _вх ).

Особенности процесса

Важно! Если количество свободных электронов и катионов незначительно, а потенциал тока невысок, ионизация молекул газа не возникнет, и газ останется диэлектриком

Разберем подробнее, как происходит ионизация газа. По сути, каждый газ является диэлектриком (при нормальном давлении и температуре), поскольку заряд его молекулы нейтральный. Частицы находятся в постоянном хаотичном движении: ударяются друг о друга, отталкиваются, продолжая столкновение дальше. Чем больше концентрация молекул, тем чаще происходят столкновения (выше давление), но хаотичность от этого не меняется. И только при появлении электрического поля (направленное движение электронов) в перемещении заряженных частиц появляется направление. Каким образом?

Освежим курс химии и вспомним, какие частицы вызывают ионизацию газа. Молекула этого вещества рассматривается как электрический диполь. При попадании под «бомбардировку» электронами отдельные диполи распадаются, образуя положительно заряженные частицы — ионы (катионы, у которых недостает одного электрона) и свободный электрон. Первые движутся к катоду, вторые — к аноду, образуя электрический поток. При повышении напряженности количество «разорванных» молекул (диполей) будет увеличиваться в геометрической прогрессии, пока процесс станет не лавинообразным. И как результат — диэлектрик проводит электрический ток в газах — ионизация газов достигает своей апогейной фазы.

Виды ионизации в газах

При постоянной подаче газа и тока, первый можно перевести в новое агрегатное состояние — плазму. Момент, когда происходит проход тока через газ, называется разрядом, по определению он может делиться на 4 типа:

• Дуговой — плазма представлена дугой. Возникает при более низком напряжении, высокой плотности тока, чем при тлеющем разряде. Источником столба являются электроны, подаваемые через электрод. Этот тип используется при сварочных работах.
• Тлеющий — явление можно наблюдать в специально созданных условиях разреженного газа. При определенном напряжении (невысоком, поскольку атмосфера разряжена) ток проходит сквозь плазму, что характеризуется появлением света. Цвет зависит от типа газа. Используется в светотехнике (неон).
• Искровой — аналог тлеющего разряда, но происходит в обычных условиях (при высоком напряжении). Разряд сопровождается треском. Этот тип используется в двигателях внутреннего сгорания.
• Коронный — назван по фигурной форме. Объясняется она возникновением разряда в поле с мощной, но неоднородной напряженностью. В результате образуется градиент: там, где напряженность больше — усиливается свечение. Применяется в оргтехнике, воздушных ионизаторах, производстве озона.

Поскольку этот процесс зависит от различных параметров, то он подразделяется на 2 вида ионизации в газах:

• Объемная — появление ионов непосредственно в самом газе. Образование частиц также имеет свой характер и подразделяется на 4 группы:

1. Ударная ионизация в газах — появление катодов в результате соударения нейтрального атома или молекулы электроном.
2. Ступенчатая — для «выбивания» частицы из нейтрального атома нужно действие второго электрона, поскольку первый приводит его лишь в возбужденное состояние.
3. Фотопроцесс ионизации запускают фотоны, но их мощность излучения должна быть больше мощности поглощения нейтральными атомами. Возможна ступенчатая ионизация.
4. Термическая ионизация газа — появляется в результате нагрева газа до очень высоких температур в момент, когда соударение атомов освобождает электроны.

• Поверхностная — излучение ионов поверхностью электрода, появляется за счет:

1. Бомбардировки катода катионами.
2. Фотоэмиссии — облучения катода лучистой энергией.
3. Термоэлектронной эмиссии — нагрева катода.
4. Электрического поля, подаваемого на катод.

Процесс изменения состояния газа инертен, он происходит в течение времени, на него влияют такие параметры, как напряжение, тип газа. Для расчета приращения тока за счет ионизации, а также последующего определения соотношения интенсивности и давления, используется такое понятие как коэффициент ионизации газов. Переход в состояние плазмы возможен, только если степень ионизации газа достигнет нужного предела (т. е. количество заряженных частиц будет превышать число общих).

Ионизация газа возникает под действием сторонних сил и зависит от объема газа и силы тока. Процесс отрыва электрона и его возврат называется ионизация и рекомбинация газов. Поскольку движение +/- ионов противоположно, наряду с разрушением, происходят восстановление диполей и возврат нейтрально заряженных частиц.

Применение в сварочных работах

Важно! При работе с аргонодуговой сваркой при подключении обратной полярности нельзя сильно нагревать аргон, поскольку осуществляется переход в состояние плазмы

Чтобы исключить появление нежелательной фазы, нужно знать, при каком условии происходит ионизация газа во время сварочных работ. Появляется она независимо от режимов, в которых проводятся работы, но большую опасность представляет для обратной полярности. Здесь мы имеем дело с ионизацией газа пламенем. Разогретый свыше 2400 °С газ начинает превращаться в плазму. Это агрегатное состояние меняет свои характеристики, превращая газ из защитной атмосферы в активную струю, используемую для резки металла. Энергия ионизации газов изменяется при регулировании температуры разогрева газа (как правило, используется аргон).

Заключение

Широкое применение получила ионизация газа: прибор для измерения, основанный на этом принципе, используется в современных телескопах, лазерных установках, приборах для подсчета атомных частиц — все это позволяет проводить сложнейшие опыты, изготавливать медицинское и другое оборудование. Потенциал ионизации газов еще полностью не раскрыт и проходит свою стадию изучения.

Польза и вред ионизации

Итак, функция ионизации воздуха – создание аэроионов в воздухе. В природе количество аэроионов, в среднем, в 10-15 раз больше, чем в городском воздухе, загрязненном выхлопными газами и выбросами промышленных предприятий. В доме на качество воздуха также влияют испарения от техники и электромагнитное излучение телевизоров и компьютеров. Пожалуй, на этом железные факты про ионизацию закончены.

Насыщение воздуха ионами сейчас широко разрекламировано, оговоримся сразу, доказанных как негативных, так и позитивных эффектов от ионизации нет, во всяком случае, в медицине однозначных рекомендаций по ее поводу нет. Информация о пользе и вреде ионизации может быть Вам полезна, если Вы задумываетесь о приобретении такого прибора или уже им владеете, но она не подтверждена авторитетными источниками.

Согласно открытым источникам, у аэроионов, а точнее, у насыщенного ими воздуха, есть свои плюсы. Прежде всего, они активизируют работу эритроцитов, увеличивая газообмен в легких на 10%. Именно этот фактор по большей части обусловливает все другие эффекты ионизации воздуха:

• Улучшение качества сна. Сон более глубокий, здоровый и приносит полноценный отдых.
• Повышение работоспособности и способностей к концентрации внимания.
• Улучшается самочувствие, полноценный отдых и насыщение кислородом помогает поднять иммунитет.
• Вследствие полноценного ночного отдыха нормализуется психологическое состояние, аэроионы могут помочь в борьбе с депрессией или неврозом.
• Ускоряется метаболизм, что помогает лучше выглядеть, а также ускорить протекание заболеваний и облегчить их симптомы.
• Отрицательно заряженные ионы притягивают к себе вредные частицы из воздуха, помогая очищать его от пыли, аллергенов и молекул газов.

Однако именно эти свойства аэроионов имеют и оборотную сторону. Если есть ионизация воздуха в квартире, полезно или вредно она воздействует на ее жителей, во многом зависит от них и их состояния здоровья. Итак, вредные свойства аэроионов.

• Если во время ионизации в помещении находится человек с вирусным заболеванием или просто есть молекулы вируса, передающегося воздушно-капельным путем, то вероятность заражения вырастет в геометрической прогрессии, так как в ионизированном воздухе инфекция распространяется очень быстро.
• Ионизированный воздух противопоказан больным с высокой температурой. Ускорение метаболизма только еще сильнее «подогревает» тело.
• Ускорение обмена веществ, которое стимулируют аэроионы, вредно для ряда хронических и вялотекущих заболеваний, так как способно их ускорить. Ионизация противопоказана при онкологии.
• Также воздух с аэроионами осложняет протекание бронхиальной астмы, дополнительно нагружая дыхательную систему.
• Существуют индивидуальная непереносимость и повышенная чувствительность к аэроионам, поэтому перед покупкой ионизатора обязательно нужно проверить, насколько Вам комфортно дышать таким воздухом.
• Дети до года и больные на восстановительном периоде после операций также нуждаются в спокойном, чистом, не нагруженном аэроионами воздухе.
• Отдельно стоит сказать о больных с возможными нарушениями кровообращения, особенно мозгового, в данном случае ионизация может вызвать кровоизлияние.
• Кроме того, наэлектризованные частицы притягиваются к поверхностям, в том числе — слизистым человека — гораздо сильнее, чем нейтральные. Поэтому во время ионизации в комнате лучше не находиться.
• Все ионизаторы создают озон – естественный окислитель, который вреден и для человека, и для техники. Концентрация озона, как правило, не контролируется, и при отсутствии проветривания может превышать все допустимые размеры и достигнуть угрожающих масштабов.
• Все положительные эффекты от ионизации появляются спустя месяцы или даже годы воздействия, мгновенного эффекта от нее не будет.

Кроме того, вокруг ионизатора могут образовываться круги пыли, помещение с ионизатором нуждается в постоянной влажной уборке, включая стены. Мы можем рекомендовать совмещать ионизатор с качественным очистителем-обеззараживателем воздуха, который защитит Вас от распространения частиц пыли, вирусов и инфекций.

Разряды в газе могут быть самостоятельными и несамостоятельными. Ток начинает существовать, когда появляются свободные заряды. Несамостоятельные разряды существуют пока на него действует сила извне, то есть внешний ионизатор. То есть, если внешний ионизатор перестал действовать, то и ток прекращается.

Самостоятельный разряд электрического тока в газах существует даже после прекращения действия внешнего ионизатора. Самостоятельные разряды в физике подразделяются на тихий, тлеющий, дуговой, искровой, коронный.

• Тихий– самый слабый из самостоятельных разрядов. Сила тока в нем очень мала (не более 1 мА). Он не сопровождается звуковыми или световыми явлениями.
• Тлеющий– если увеличить напряжение в тихом разряде, он переходит на следующий уровень – в тлеющий разряд. В этом случае появляется свечение, которое сопровождается рекомбинацией. Рекомбинация– обратный процесс ионизации, встреча электрона и положительного иона. Применяется в бактерицидных и осветительных лампах.

Рис. 2. Тлеющий разряд

• Дуговой– сила тока колеблется от 10 А до 100 А. Ионизация при этом равна почти 100%. Этот тип разряда возникает, например, при работе сварочного аппарата.

Рис. 3. Дуговой разряд

• Искровой– можно считать одним из видов дугового разряда. Во время такого разряда за очень короткое время протекает определенное количество электричества.
• Коронный разряд – ионизация молекул происходит вблизи электродов с малыми радиусами кривизны. Этот вид заряда происходит тогда, когда напряженность электрического поля резко изменяется.

Применение газовых разрядов

Искровой разряд используется в технике в системе зажигания двигателей внутреннего сгорания. Катушка зажигания дает напряжение 12-15 тысяч вольт. Это достаточно, чтобы между электродами свечи возникла искра для зажигания горючей смеси.

Разновидностью искрового разряда является молния.

Дуговой разряд применяется в качестве мощных источников света (прожекторов), в электроплавильных печах, для электросварки, для ультрафиолетовых излучателей.

Тлеющий разряд используется в рекламных газоразрядных трубках, в лампах дневного света, цифровых индикаторах.

В природе свечение разряженных газов наблюдается в виде полярного сияния.

Коронный разряд используется в электрофильтрах для очистки газов от примесей твердых частиц, в работе молниеотвода. В ЛЭП приводит к утечке электроэнергии.

В природе «корона» возникает иногда под действием атмосферного электричества на ветках деревьев, верхушках молниеотводов, мачт кораблей (огни святого Эльма).