Энергия ионизации воздуха как найти

Электронная эмиссия, ионизация воздуха и электрическая искра

Электрон обладает самым малым отрицательным электрическим зарядом. Протон имеет положительный электрический заряд, равный по абсолютной величине заряду электрона. Отрицательный заряд обозначается знаком минус, а положительный — знаком плюс.

Взаимодействие электрических зарядов осуществляется через электрическое поле, в котором проявляют себя электрические силы, связанные с этими зарядами. Электрическим полем называется пространство вокруг электрического заряда (заряженного тела).

Автоэлектронная эмиссия в вакууме

Итак, известно, что в металлах существуют электроны проводимости. И хотя они непрерывно участвуют в тепловом движении, тем не менее постоянно удерживаются внутри металла благодаря действию сил, направленных от поверхности металла — внутрь него, и не дающих электронам произвольно покинуть данный металл. Эти силы — силы притяжения, действующие на электроны со стороны положительно заряженных ионов кристаллической решетки металла.

В результате вблизи поверхности внутри металла имеется электрическое поле E, обуславливающее разность потенциалов φ на переходе из пространства снаружи металла — внутрь него. То есть потенциальная энергия электрона, чтобы он смог проникнуть снаружи вовнутрь металла, должна уменьшиться на величину eφ.

Рассмотрим энергетическую диаграмму. Здесь изображены: W0 — энергия покоящегося электрона вне металла; Ec – минимальная энергия электрона проводимости.

Налицо потенциальная яма, глубина которой как раз и равна eφ = W0 – Ec. Данная величина называется электронным сродством и характеризует конкретное вещество. Соответственно, если некий электрон внутри металла обладает энергией W1, которая меньше W0, то у такого электрона просто не хватит энергии чтобы покинуть металл.

Но электронам внутри металла можно каким-нибудь способом сообщить дополнительную кинетическую энергию, так что часть электронов сможет покинуть металл, и мы будем наблюдать явление электронной эмиссии, то есть испускание электронов с поверхности данного металла.

Одним из частных случаев электронной эмиссии является автоэлектронная эмиссия — испускание электронов поверхностью металла под действием достаточно сильного электрического поля.

Рассмотрим для примера вакуумированную трубку, внутри которой с двух ее сторон впаяны два электрода, один из которых (а именно — катод) имеет заостренную форму, а другой — отличается сравнительно большой площадью поверхности.

Катод, как следует из его названия, подключается к отрицательному полюсу источника напряжения, а анод — к положительному. В этой ситуации линии напряженности электрического поля E возле катода окажутся сгущены сильнее по сравнению с пространством возле анода.

Разберем ситуацию более подробно. Допустим, у нас есть анод в форме сферы радиуса b, а катод представляет собой маленький шарик радиуса a, причем b>>a, при этом катод установлен точно в центре сферы. В этом случае в точке на расстоянии r от центра сферы напряженность электрического поля будет равна:

А если принять r = a, то найдем напряженность поля E у самой поверхности катода. Она будет приблизительно равна:

Значит уже при напряжении между катодом и анодом в 1000 вольт и радиусе катода в 0,01 мм, напряженность электрического поля на его поверхности будет равна 100 МВ/м! В таких условиях в вакуумированной трубке возникнет слабый электрический ток (измеряемый микроамперами), поскольку электроны начнут покидать острие катода и станут носителями данного тока. И чем выше мы поднимем напряжение между катодом и анодом — тем большим окажется этот ток.

Катод при этом может быть холодным, поэтому данный вид эмиссии называют холодной эмиссией или автоэлектронной эмиссией. Если напряжение продолжить повышать дальше, то катод начнет разогреваться вплоть до испарения металла и возникновения газового разряда в данной трубке.

Нетрудно понять, что автоэлектронная эмиссия возникает просто в силу того, что сильное электрическое поле возле катода изменяет потенциальный барьер на поверхности металла — высота барьера уменьшается, поэтому и необходимая работа выхода для электронов становится меньше. Барьер к тому же становится тоньше, а это значит, что в целом повышается вероятность того, что электрон проникнет сквозь него и покинет таки поверхность металла.

При высокой напряженности электрического поля у катода автоэлектронная эмиссия способна проявить себя даже при достаточно низкой его температуре, в этих условиях вовсе не обязательно подогревать катод или освещать его ультрафиолетом или рентгеновскими лучами, чтобы добиться эмиссии. Напомним, что здесь мы рассмотрели процессе эмиссии в вакууме.

Самостоятельный разряд в газе на примере воздуха

В своем обычном состоянии газы электрический ток не проводят. Но если подвергнуть газ определенному внешнему воздействию, его можно сделать электропроводным.

Например в атмосферном воздухе под действием ультрафиолетовых лучей появляются заряженные частицы. Это происходит потому, что от атомов газа отщепляются электроны, и вместо нейтральных атомов в воздухе будут присутствовать также положительные ионы и электроны. Часть электронов будет вскоре захвачена нейтральными атомами, тогда в данном объеме появятся еще и отрицательные ионы.

Для ионов газа справедливо утверждение, что скорость упорядоченного движения ионов пропорциональна напряженности электрического поля E, в котором они находятся, а также подвижности ионов b:

Подвижность ионов определяется как средняя скорость, которую приобретают ионы газа в электрическом поле напряженностью равной 1 В/м. Причем подвижности отрицательных и положительных ионов различны:

Приведенное выше утверждение справедливо тогда, когда число соударений достаточно велико, и средняя длина свободного пути ионов газа значительно меньше чем расстояние между катодом и анодом. В обычных условиях это положение выполняется практически всегда, поскольку давления в газе около десятых мм рт.ст уже достаточно, иначе можно было бы считать что процесс происходит в вакууме. В результате подвижность ионов обратно пропорциональна давлению в газе в широком интервале давлений.

Стоит отметить, что характер движения ионов в газах сильно сложнее чем характер движения электронов в металлах. Дело в том, что ионы в газе зачастую распределены неравномерно между электродами, поэтому имеется определенный градиент концентрации ионов между электронами, вызывающий поток диффузии ионов.

Поскольку токи положительных и отрицательных ионов не равны друг другу, в газе формируются объемные заряды, усложняющие картину распределения напряженности электрического поля между электродами. Кроме того носители заряда здесь могут возникать также по причине ударной ионизации электронами, и концентрация ионов может поэтому зависеть от напряженности электрического поля. Все это ведет к тому, что в газе закон Ома обычно не выполняется.

В условиях ионизации в газе возможно возникновение самостоятельного разряда по принципу лавины. Допустим, из катода вылетел электрон. На длине свободного пробега он движется ускоренно под действием электрического поля, и приобретает кинетическую энергию.

Если данная энергия больше или равна энергии ионизации атомов газа, то при столкновении с атомом, атом будет ионизирован, он станет положительным ионом, в результате уже имеются движущийся положительный ион и новый электрон. Электроны станут двигаться к аноду, а положительные ионы — к катоду.

После соударений электроны будут набирать энергию, и при следующих соударениях появятся четыре электрона. Затем восемь, потом шестнадцать и т. д. Так образуется лавина электронов по мере их движения к аноду (и соответствующее число положительных ионов, движущихся к катоду).

Число пар ионов и электронов, образовавшихся на единице пути от одного электрона называется коэффициентом объемной ионизации α. А поскольку энергия электронов тем больше, чем больше напряженность электрического поля Е, то и коэффициент объемной ионизации α зависит от напряженности Е.

Коэффициент α также пропорционален давлению в газе. Чтобы разряд при этом стал самостоятельным, необходимо, чтобы электронная лавина поддерживалась процессом поставки новых электронов взамен тех, которые уходят на анод.

Одним из таких процессов может выступать вторичная электронная эмиссия, при которой некоторые особо быстрые положительные ионы выбивают из катода некоторое число электронов.

В определенных гипотетических условиях (при определенной напряженности), оба процесса в совокупности приведут к возникновению самостоятельного разряда.

Но в реальности бесконечного возрастания лавин электронов не возникнет, так как цепь разряда имеет сопротивление, при значительном возрастании тока напряжение на промежутке уменьшится, а значит уменьшится и электрическое поле. Поэтому значение тока конечно, и зависит как от ЭДС источника, так и от сопротивления цепи.

Искра в воздухе

Вернемся к атмосферному воздуху. Будем постепенно наращивать напряжение между катодом и анодом, имеющими форму больших шаров. Электрическое поле между ними будет почти однородным.

В определенный момент, в процессе увеличения напряженности электрического поля, между шарами возникнет электрическая искра — тонкий изогнутый светящийся канал, соединяющий электроды.

Это произойдет в момент, когда электрическая напряженность Е достигнет определенного критического значения Eк. Для воздуха в нормальных условиях это 3 МВ/м. При действии на воздух внешнего ионизатора напряжение пробоя, конечно уменьшится.

Казалось бы, процесс образования искры можно было бы объяснить электронной лавиной, по приведенной выше схеме. Но нет! Если бы существенную роль в искре играла только ударная ионизация электронами, то время развития искры составляло бы порядка 10 — 100 мкс, но практически оно составляет не более 100 нс — в сотни раз меньше!

На самом деле процесс образования искры хорошо объясняет стримерная теория. Согласно стримерной теории, в первый момент появляется скопление ионизированных частиц, имеющих слабое свечение. Эти частицы пронизывают промежуток между катодом и анодом, образуя многочисленные проводящие каналы, по которым устремляются более мощные потоки электронов. Здесь участвуют не только электронные лавины ударной ионизации, но и фактор ионизации газа излучением самого искрового разряда.

Так, кроме первой электронной лавины, возникающей непосредственно возле катода, в точках расположенных далеко впереди «головы» первоначальной лавины зарождаются новые лавины, являющиеся следствием появления затравочных электронов в результате фотоионизации от излучения предыдущей лавины.

Отдельные лавины достигая друг друга сливаются и формируют канал стримера высокой проводимости. Поэтому общий путь стримера «искры» в несколько раз превышает путь проходимый самой первой лавиной. Параллельно стримерам распространяющимся от катода к аноду (отрицательным стримерам), существуют и положительные стримеры, движущиеся от анода к катоду.

Потенциальная энергия ионизации, методы ее определения

энергия ионизации относится к минимальному количеству энергии, обычно выражаемому в единицах килоджоулей на моль (кДж / моль), которое требуется для отделения электронов, находящихся в газообразном атоме, который находится в своем основном состоянии.

Газообразное состояние относится к состоянию, в котором оно свободно от влияния, которое другие атомы могут оказывать на себя, так же как любое межмолекулярное взаимодействие отбрасывается. Величина энергии ионизации является параметром, описывающим силу, с которой электрон связан с атомом, частью которого он является..

Другими словами, чем больше необходимого количества энергии ионизации, тем сложнее будет отрыв рассматриваемого электрона..

• 1 Ионизационный потенциал
• 2 Методы определения энергии ионизации
• 3 Первая энергия ионизации
• 4 Вторая энергия ионизации
• 5 ссылок

Потенциал ионизации

Потенциал ионизации атома или молекулы определяется как минимальное количество энергии, которое должно быть приложено, чтобы вызвать отрыв электрона от внешнего слоя атома в его основном состоянии и с нейтральным зарядом; то есть энергия ионизации.

Следует отметить, что когда речь идет о потенциале ионизации, используется термин, который вышел из употребления. Это связано с тем, что ранее определение этого свойства основывалось на использовании электростатического потенциала для интересующего образца..

Используя этот электростатический потенциал, произошли две вещи: ионизация химических частиц и ускорение процесса отрыва электрона, который нужно было удалить..

Поэтому, когда начали использовать спектроскопические методы для его определения, термин «потенциал ионизации» был заменен на «энергию ионизации».

Также известно, что химические свойства атомов определяются конфигурацией электронов, присутствующих на самом внешнем энергетическом уровне в этих атомах. Таким образом, энергия ионизации этих частиц напрямую связана со стабильностью их валентных электронов..

Методы определения энергии ионизации

Как упоминалось ранее, методы определения энергии ионизации в основном задаются процессами фотоэмиссии, которые основаны на определении энергии, испускаемой электронами в результате применения фотоэлектрического эффекта..

Хотя можно сказать, что атомная спектроскопия является самым непосредственным методом определения энергии ионизации образца, у нас также есть фотоэлектронная спектроскопия, в которой измеряются энергии, с которыми электроны связаны с атомами..

В этом смысле ультрафиолетовая фотоэлектронная спектроскопия (также известная под названием UPS на английском языке) — это метод, в котором используется возбуждение атомов или молекул путем применения ультрафиолетового излучения..

Это делается для того, чтобы проанализировать энергетические переходы большинства внешних электронов в изученных химических веществах и характеристики образующихся связей.

Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия и экстремальное ультрафиолетовое излучение также известны, в которых используется тот же принцип, который описан выше, с различиями в типе излучения, падающего на образец, скорости, с которой выбрасываются электроны, и разрешающей способности. полученный.

Первая энергия ионизации

В случае атомов, которые имеют более одного электрона на своем внешнем уровне, то есть так называемых полиэлектронных атомах, значение энергии, необходимой для запуска первого электрона атома, находящегося в его основном состоянии, определяется следующее уравнение:

Энергия + A (г) → A + (г) + е —

«А» символизирует атом любого элемента, а отсоединенный электрон представлен как «е» — ». Это приводит к первой энергии ионизации, называемой «I₁«.

Как видите, происходит эндотермическая реакция, так как атом снабжается энергией для получения электрона, добавленного к катиону этого элемента.

Аналогично, значение первой энергии ионизации элементов, присутствующих в тот же период, увеличивается пропорционально увеличению их атомного номера..

Это означает, что оно уменьшается справа налево за период и сверху вниз в той же группе периодической таблицы.

В этом смысле благородные газы имеют высокие величины энергий ионизации, в то время как элементы, относящиеся к щелочным и щелочноземельным металлам, имеют низкие значения этой энергии..

Вторая энергия ионизации

Таким же образом, вытягивая второй электрон из того же атома, получается вторая энергия ионизации, обозначенная как «I₂«.

Энергия + А + (ж) → А 2+ (г) + е —

Та же схема применяется для других энергий ионизации при запуске следующих электронов, зная, что после отрыва электрона от атома в его основном состоянии отталкивающий эффект между оставшимися электронами уменьшается.

Поскольку свойство, называемое «зарядом ядра», остается постоянным, требуется большее количество энергии для запуска другого электрона ионных частиц, который имеет положительный заряд. Таким образом, энергии ионизации возрастают, как показано ниже:

Ионизация газа

Ионизация газа — это процесс образования ионов из нейтральных частиц. Ионизация образуется от соударения в процессе теплового движения или ионизация газа в воздухе.

Что такое ионизация газа Аэроионы

Чистые, сухие газы не содержат свободных зарядов и являются диэлектриками. При различных внешних воздействиях электроны легко отрываются от атомов газа, образуя таким образом положительные ионы. Оторвавшиеся электроны в значительной части остаются в свободном состоянии, в меньшей — присоединяются к другим атомам, образуя отрицательные ионы.

Происходит ионизация газа. В результате ионизации газ делается хотя и плохим, но проводником электрического тока. Ионизация газа происходит при нагревании (см. рис. 2), соударении его частиц, поглощении фотонов ультрафиолетового излучения и т. п.

Соударяясь в процессе теплового движения, электроны и положительные ионы могут вновь соединяться в нейтральные частицы. Это называется рекомбинацией ионов. Если ионизирующий агент действует с постоянной интенсивностью, то в газе устанавливается динамическое равновесие между количеством ионов и электронов, вновь образующихся и рекомбинирующихся в единицу времени.

В результате количество ионов, содержащихся в единице объема газа, или их концентрация, остается постоянным. Если интенсивность ионизирующего агента повышается, увеличивается и концентрация ионов и электронов. Если действие ионизирующего агента прекращается, то газ постепенно возвращается к исходному состоянию.

Ионизация газа в воздухе

В воздухе и других газах, которые находятся в естественных природных условиях, всегда имеется небольшое количество свободных электронов, а также ионов обоих знаков, образовавшихся вследствие ионизирующего действия природных факторов: ультрафиолетовой части солнечного излучения, космического излучения, излучения радиоактивных веществ, находящихся в земной коре, и т. д.

Обычно они присоединяются к нейтральным молекулам или группам молекул и образуют сложные газовые ионы обоих знаков. В воздухе ионы образуются также при распыливании воды (это называется баллоэлектрическим эффектом), например при падении дождя, около водопадов, фонтанов и т. п. Ионы образуются также (путем вторичной ионизации) при атмосферных электрических разрядах (грозовые молнии).

Газовые ионы, в свою очередь, могут присоединяться к различным взвешенным в газе частицам вещества (пылинки частицы дыма) или мельчайшим капелькам водяного пара и т. п.

Находящиеся в атмосфере газовые ионы называются аэроионами и разделяются на легкие и тяжелые. Легкими аэроионами называются газовые ионы, простые или сложные. Масса их невелика, а подвижность относительно высокая. Тяжелыми аэроионами называются газовые ионы, связанные с твердыми частицами или частицами влаги.

Эти ионы имеют значительно большую массу и меньшую подвижность. Концентрация аэроионов в воздухе зависит от различных метеорологических условий и все время меняется. В среднем в 1 см 3 городского воздуха содержится несколько сотен легких и до нескольких десятков тысяч тяжелых аэроионов. В чистом загородном воздухе количество легких аэроионов увеличивается до нескольких тысяч, а тяжелых снижается почти до нуля.

Легкие и преимущественно отрицательные аэроионы являются положительным гигиеническим фактором. Тяжелые аэроионы действуют вредно на организм. В настоящее время в качестве оздоровительного, а иногда и лечебного мероприятия применяется искусственная аэроионизация воздуха с помощью приборов, называемых аэроионизаторами.

Образование тока в газе вторичная ионизация

Ионизация газа, происходящая под влиянием внешних воздействий, называется первичной ионизацией. Если в газе, в котором поддерживается первичная ионизация, образовать электрическое поле, то под действием сил поля ионы и электроны придут в направленное движение. Движение двух встречных потоков положительных и отрицательных ионов и электронов образует электрический ток в газе. Достигая электродов, ионы нейтрализуют свои заряды путем присоединения (на катоде) или отдачи (на аноде) электронов и таким образом поддерживают ток во внешней цепи.

Образование тока в газе при ионизации его путем нагревания можно показать на опыте (рис. 2). Воздух, находящийся между пластинами Р воздушного конденсатора, подключенного к батарее Б, будучи нагрет пламенем спиртовой горелки, делается токопроводящим. Ток между пластинами отмечается чувствительным гальванометром Г.

Если напряжение, приложенное к электродам невелико, невысока и ско рость перемещения ионов, то только часть из числа пар ионов, образующих ся в единицу времени, достигает электродов и, отдавая свои заряды, образует ток в цепи, остальные ионы рекомбинируются. При увеличении напряжения эта часть ионов будет возрастать, соответственно возрастает и сила тока, однако только до тех пор, пока все ионы, образующиеся в единицу времени, не будут достигать электродов. Ток при этом, несмотря на увеличение напряжения, больше возрастать не будет. Этот ток называется током насыщения. Величина I_н тока насыщения прямо пропорциональна заряду е иона, числу N ионов одного знака, образующихся в единицу времени (1 сек) в единице объема (1 см 3 ) газа, и объему V газа между электродами:

l_н=eNV.

Это поясняется схемой, которая показывает, что ионы в газе двигаются двумя встречными потоками, но через любое сечение газа в единицу времени проходит NV зарядов (например, для среднего сечения аb это будет два потока, каждый по NV/2 ионов).

Ионы (или электроны), двигающиеся в газе, испытывают столкновения с окружающими их неионизированными частицами газа, поэтому средняя скорость поступательного движения аэроионов относительно невелика. Эта скорость прямо пропорциональна напряженности поля и зависит от строения иона.

Скорость движения ионов в газе

Подвижность (скорость при напряженности поля 1 в/см) аэроионов указана в таблице.

Масса электрона в тысячи раз меньше массы аэроиона, поэтому скорости движения электронов значительно выше.

При небольших скоростях движения соударение ионов и электронов с неионизированными частицами газа вызывает только изменение направления движения частиц (упругое рассеяние).

Вследствие значительного расстояния между молекулами в газе и при достаточно высокой напряженности поля электроны могут разгоняться до скоростей, при которых их кинетическая энергия может оказаться достаточной, чтобы вызвать неупругое соударение, в результате которого происходит ионизация частицы газа. Это явление называется вторичной ионизацией или ионизацией путем соударения.

Разность потенциалов, при которой должен быть ускорен электрон для осуществления ионизации путем соударения, называется ионизационным потенциалом <р_и. При этом кинетическая энергия электрона E_э=φ_иe (где е — заряд электрона) должна быть равна работе Л_и, которую надо совершить, чтобы оторвать электрон от атома данного газа:

Е_э = φ_иe = А _и,

откуда φ_и = А_и/е ,

где А_и выражена в электрон-вольтах. Итак, ионизационный потенциал численно равен отношению работы по ионизации атома данного газа к заряду электрона.

Наименьший ионизационный потенциал соответствует отрыву внешних электронов.

Ионизационный потенциал внутренних электронов в несколько раз выше. Во многих случаях учитывается некоторый средний потенциал. Например, средний ионизационный потенциал воздуха принимается равным 34 в (это означает, что для образования одной пары ионов в воздухе в среднем необходимо затратить энергию 34 эв).

При достаточно сильном электрическом поле электроны ускоряются до высоких энергий. Сталкиваясь с нейтральными молекулами или атомами газа, электроны расщепляют их и образуют новые ионы и свободные электроны, которые в свою очередь ускоряются силами электрического поля и производят новую ионизацию, и т. д. Ионизация газа лавинообразно нарастает. Соответственно нарастает и сила тока или интенсивность электрического разряда. На рис. 236, а схематически изображено быстрое нарастание количества электронов и ионов в газе в результате последовательных столкновений с частицами газа. На рис. 3 , б показана фотография ионных лавин, образованных единичными электронами.

Во вторичной ионизации принимают участие также и ионы обоих знаков, но в связи с малой подвижностью значение их в этом процессе незначительно.

Построим график зависимости силы тока I в газе от напряжения U, приложенного между двумя пластинами воздушного конденсатора С . При постоянном расстоянии между пластинами напряженность поля прямо пропорциональна приложенному напряжению. В связи с малой силой тока она измеряется косвенно по падению напряжения на достаточно большом, включенном последовательно в цепь сопротивлении R, кото рое измеряется электрометром Э. Напряжение на пластинах регулируется потенциометром П и измеряется по разности показаний вольтметра В и электрометра Э.

Вначале в области первичной ионизации ток с увеличением напряжен ности поля возрастает , пока не достиг нет величины тока насыщения I_н (с увеличением напряженности поля ток насыщения может незначительно возрастать за счет повышения скорости движения ионов) — участок а в.

При определенной величине напряженности поля в газе начинается вторичная ионизация путем соударения. Количество ионов, образующихся в единицу времени, быстро нарастает. Соответственно возрастает и сила тока, что отражается на графике значительным и неравномерным подъемом кривой (участок ВС).

Электрический ток в газе

Электрический ток в газе, особенно значительный по величине, сопровождается свечением газа, звуковыми явлениями (шипением, треском), образованием в воздухе озона и окислов азота и т. п. Совокупность этих явлений, включая и само образование тока, называется электрическим разрядом в газе. Свечение связано с возбуждением атомов и молекул газа, происходящим при соударении их с электронами (или ионами) с высокой кинетической энергией, но недостаточной для ионизации. Звуковые явления связаны с местным нагреванием газа, происходящим при столкновении частиц. В связи с этим частицы газа приходят в движение, которое при определенных условиях является источником звука.

Разряд обусловленный первичной ионизацией, происходящей под действием внешних воздействий, называется несамостоятельным разрядом, так как с прекращением первичной ионизации газа он также прекращается. Разряд, происходящий под действием вторичной ионизации (ионизации путем соударения) называется самостоятельным разрядом в газе, так как он может продолжаться за счет вторично образующихся ионов, т. е. независимо от первичной ионизации.