Общий курс физики Том 3. Электричество - Сивухин Д.В.
Скачать (прямая ссылка):
§ 109]
ИОНИЗАЦИЯ И РЕКОМБИНАЦИЯ
499
сти этих явлений, точной количественной теории их не существует до настоящего времени.
Ионизация газа, возникающая в результате вырывания электронов из молекул и атомов самого газа, называется объемной ионизацией, так как источники ионов здесь распределены в объеме, занимаемом газом. Помимо объемной ионизации существует поверхностная ионизация. При такой ионизации ионы или электроны поступают в газ со стенок сосуда, в котором он заключен, или с поверхности тел, вносимых в газ. Например, источниками электронов могут служить раскаленные тела (термоэлектронная эмиссия)
а), б) в)
Рис. 270.
или поверхности металлов, освещаемые ультрафиолетовыми и прочими коротковолновыми электромагнитными излучениями (фотоэлектрический эффект).
2. После прекращения действия ионизатора положительные и отрицательные ионы газа соединяются между собой с образованием нейтральных молекул и атомов. Этот процесс называется рекомбинацией. В результате рекомбинации проводимость газа пропадает или, во всяком случае, возвращается к своему исходному значению. Проводимость спадает не сразу, а постепенно, так как для полной рекомбинации ионов газа требуется конечное время.
Следующий опыт может служить демонстрацией этого явления, а также явления ионизации газа. Внутри вертикальной металлической трубы на различной высоте укреплены металлические электроды, соединенные с наружными электроскопами проводами, изолированными от стенок трубы (рис. 270, а). Под нижнее отверстие трубы подносят зажженную свечу. В пламени последней образуются положительные и отрицательные ионы, уносимые вверх
500
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ТОКИ В ГАЗАХ
[ГЛ. IX
горячими газами. Воздух в трубе начинает проводить электричество, и листочки электроскопов спадают. Опыт показывает, что чем выше расположен электрод, тем медленнее спадают листочки соединенного с ним электроскопа. Дело в том, что за время поднятия вверх заметная доля ионов рекомбинирует и проводимость поднявшегося воздуха уменьшается. Поэтому скорость спада листочков электроскопа вверху должна быть меньше, чем внизу.
Процесс спадания проводимости газа после прекращения действия ионизатора можно ускорить путем создания в газе электрического поля. Электрическое поле может практически мгновенно уничтожить повышенную проводимость газа. Изменим постановку предыдущего опыта, поместив в трубе пластины плоского воздушного конденсатора, как указано на рис. 270, б. Если повторить опыт с незаряженным конденсатором, то после зажжеиия свечи листочки электроскопа спадают, как и раньше. Если же предварительно зарядить конденсатор, то после зажжения свечи спадания листочков не наблюдается. Ионы, поднимающиеся вверх вместе с потоком нагретого воздуха, увлекаются электрическим полем к пластинам конденсатора и выбывают из потока. Поэтому воздух после прохождения между пластинами конденсатора перестает проводить электричество, чем и объясняется результат опыта.
Проводимость ионизованного воздуха в предыдущих опытах можно также уничтожить, пропустив струю восходящего воздуха через слой ваты, как указано на рис. 2?0, б. При прохождении через вату происходит нейтрализация ионов.
3. Допустим, что источник создает в единицу времени в единице объема газа q пар ионов разных знаков. Допустим, далее, что в газе нет электрического тока и можно пренебречь уходом ионов из-за диффузии. Тогда единственным процессом потери ионов в газе останется рекомбинация. Обозначим через п число пар ионов разных знаков в единице объема газа. Рекомбинация происходит при встрече положительного иона с отрицательным. Число таких встреч пропорционально как числу положительных, так и числу отрицательных ионов, т. е. п~. Поэтому убыль числа пар ионов в единицу времени в единице объема газа пропорциональна пг и может быть записана в виде ап2, где а — постоянная, называемая коэффициентом рекомбинации ионов разных знаков. При справедливости введенных допущений уравнение баланса ионов в газе запишется в виде
§ = q-an*. (109.1)
В стационарном состоянии dn/dt = 0,
п = у q/a.
(109.2)
§ 401
ИЗМЕРЕНИЕ ПОТЕНЦИАЛА ИОНИЗАЦИИ
501
После выключения ионизатора
dn «
dt=-atl’
откуда
I, (109.3)
где п0 — концентрация пар положительных и отрицательных ионов при t — 0, т. е. в момент выключения ионизатора. Спустя время
т = — (109.4)
п0а v '
концентрация п убывает в 2 раза. Таким образом, убыль концентрации происходит не в геометрической прогрессии, а более медленно, так как время, в течение которого концентрация уменьшается вдвое, по мере уменьшения последней становится все больше и больше и в пределе при п 0 обращается в бесконечность.
Если включен ионизатор, то надо интегрировать уравнение
(109.1). Допустим, что в момент включения ионизатора п = 0.
Отсчитывая время t от этого момента и учитывая, что q —ап2 0,
получим в результате интегрирования
n =VVath (tlx)> (109.5)
где время т получится из (109.4), если подставить n0 = ]Уq/a, т. е. т = =]Л/(</а).
ЗАДАЧА
В момент времени t = 0 начинает действовать ионизатор, создающий в единице объема газа q пар положительных и отрицательных ионов в единицу времени. Предполагая, что q = const, найти выражение для концентрации пар ионов во все последующие моменты времени.
