Различия в поведении ионов и электронов

Обсудим различия в поведении ионов и электронов, проявляющиеся при их дрейфе и диффузии в газах. Можно ожидать, что при одинаковых условиях электроны по сравнению с нонами будут иметь значительно более высокие скорости дрейфа и коэффициенты диффузии (на порядки величин). Из-за своей малой массы электроны быстро ускоряются электрическим полем и при упругих столкновениях с молекулами теряют небольшую долю кинетической энергии (часть передаваемой при этом энергии составляет величину порядка m_e/М, где т_е и М — массы электрона и молекулы). Поэтому электроны набирают кинетическую энергию от электрического поля быстрее ионов и в значительно большей степени могут ее накапливать в промежутках между столкновениями с молекулами, до тех пор пока энергия не достигнет значений, при которых станут существенными неупругие столкновения с частицами газа. Даже при наличии слабого внешнего электрического поля в газе средняя энергия электронов может значительно превышать тепловую энергию, связанную с движением молекул газа. Кроме того, функция распределения электронов по энергиям отличается от максвелловского распределения всюду, за исключением области очень малых значений параметра E/N.

При рассмотрении сечений столкновений электронов и ионов с нейтральными частицами газа проявляются различия между ними иного характера. Электронное возбуждение атомов и молекул представляет собой существенный фактор в случае столкновений электронов при энергиях, даже меньших 10 эВ, а при энергиях, существенно меньших 1 эВ, в молекулярных газах происходит возбуждение колебательных и вращательных степеней свободы. Энергии такого порядка обычпо достигаются электронами в ситуациях, представляющих практический интерес. Кроме того, лабораторные исследования показывают, что для вобуждения соответствующих мод в газе ионами требуюгся более высокие энергии, чем при возбуждении этих мод электронами, причем максимумы сечений возбуждения приходятся на энергии, существенно превышающие те, которые достигаются в лабораторных установках. Поэтому в обычных газокинетических условиях ионы не обладают энергией, достаточной для возбуждения молекул газа.

Таким образом, из нашего рассмотрения можно сделать вывод, что анализ движения электронов в газе представляет большие трудности, чем анализ движения ионов. Однако имеется некоторый компенсирующий фактор, связанный с относительно малой массой электрона. Поскольку в любом газе m_e/M<<1, при анализе движения электронов можно воспользоваться определенными приближениями, что недопустимо при рассмотрении движения ионов. Эти приближения значительно упрощают математическую формулировку теории и позволяют провести строгий расчет функции распределения и кинетических свойств электронов во многих газах при больших значениях E/N . В случае ионов таких расчетов выполнить нельзя.

Другие важные различия электронов и ионов проявляются при постановке экспериментов. Электроны можно получать, используя, например, термоэлектронную эмиссию с накаленной нити, фотоэмиссию с поверхности или β-распад радиоактивных изотопов. Техническая сторона задачи здесь довольно проста. Создание ионов требует уже гораздо более сложных устройств: либо источников, использующих бомбардировку электронным пучком или фотоионизацию, либо устройств для создания электрического разряда в газе. Кроме того, при проведении экспериментов с электронным роем достаточно просто отделить электронный компонент носителей заряда от ионного компонента, который может присутствовать в газе, и для интерпретации данных измерений не требуется массовый анализ ионов. Для получения же непротиворечивых результатов измерений дрейфа и диффузии ионов в газе обычно необходима идентификация ионов по массам. Последнее требование приводит к значительному усложнению экспериментальных установок.

Наконец, еще одно различие в поведении ионов и электронов, проявляющееся в эксперименте, связано с наличием примесей в исследуемом газе. Присутствие молекул примеси в атомарном газе может привести к значительному снижению уровня средней энергии электронов по сравнению со случаем чистого газа, поскольку электроны могут терять большую часть своей энергии на возбуждение колебательных и вращательных степеней свободы молекул. Этот процесс может привести к заметному изменению функции распределения электронов по скоростям. В экспериментах с ионами наличие примесей оказывает незначительное влияние на среднюю энергию и функцию распределения ионов. Однако в последнем случае возникает новая трудность, связанная с возможностью образования примесных ионов при взаимодействии ионов основного газа с молекулами примеси. Очень часто это является предметом серьезных забот экспериментаторов.