Лекция №3. Ионизация газов

План:

1. Виды ионизации

2. Термическая ионизация

3. Ионизация смеси газов

Виды ионизации элементарных частиц весьма разнообразны. Рассмотрим основные из них.

А. Контактная ионизация атомов и молекул. Она происходит на границе газовой сферы с ограничивающими ее твердыми и жидкими телами. На торцах газового промежутка такими телами являются электроды, обладающие разными потенциалами. Поэтому ионизация на этих поверхностях является как результатом ударов электронов о поверхности электродов, так и следствием воздействия электрического поля электродов и приэлектродных частей разрядного промежутка на среду.

Б. Фотоионизацияэлементарных частиц. Эта ионизация происходит при поглощении атомом излучения.

Для ионизации элементарных частиц необходима работа ионизации

a=hv= e_оU_i (27)

где е_о- заряд электрона; (1,60210±0,00007)•10^-19Кл.

v- частота излучения;

h- постоянная Планка.

U_i- потенциал ионизация данного газа.

hv- энергия фотона

Как видно из формулы (27), энергия, кванта пропорциональна частоте излучения. Для значительной части спектра излучения энергия кванта обычно бывает недостаточной для ионизации газов.

Только энергия квантов при частотах ультрафиолетового излучения и выше становится больше работы ионизации паров щелочных металлов (Ca, Na). Большинство же газов и паров металлов не может быть ионизировано в результате однократного поглощения кванта излучения.

В. Ионизация элементарных частиц при соударении. В зависимости от вида соударяющихся частиц различают ионизацию при соударении частиц с электронами и частиц газа с ионами.

Ионизация при соударении частиц газа с электронами. Работу ионизации можно выразить формулой:

a_i=eU_i (28)

Очевидно, электрон только тогда ионизирует атом (или молекул), когда его кинетическая энергия в момент соударения с атомом будет равна или больше работы ионизации: (Эк), ЭК>dj или

(29)

Если кинетическая энергия движущегося электрона настолько мала, что его сближение (соударение) с нейтральной частицей не вызывает изменения величины их внутренней энергии, то соударение называют упругим.

Но соударение может быть и неупругим и привести либо к возбуждению нейтральной частицы, либо, если соблюдено условие (4).

Относительная ионизация зависит от энергии ионизирующего электрона. Относительная ионизация при увеличении энергии электрона растет почти прямолинейно, а потом падает, асимптотически приближаясь к некоторой постоянной величине. Это объясняется тем, что с увеличением скорости электрона уменьшается время его пребывания в зоне воздействия на нейтральную частицу и вследствие этого уменьшается вероятность ионизации.

Если газ находится в замкнутом объеме и не подвергается воздействию внешних ионизирующих факторов (облучение, электрическое поле и т.д.), то в этом газе возможны следующие ионизационные процессы:

а. расщепление нейтральных частиц при соударении их друг с другом;

b. фотоионизация частиц, обусловленная тепловым излучением стенок, ограничивающих объем газов;

с. ионизация вследствие соударения нейтральных молекул и электронов, возникающих в газе благодаря первым двум процессам.

Теоретически все эти процессы должны происходить при любой температуре, практически же они начинают роль при температурах газа выше 2000-3000К.

Параллельно с ионизацией в газовом объеме происходит процесс деионизации – рекомбинация ионов и электронов в нейтральные частицы.

При установившемся состоянии процессы ионизации и рекомбинации уравновешивают друг друга и при данной температуре число электронов, ионов и нейтральных молекул является вполне определенным. Процесс ионизация и рекомбинации в газовом объеме можно выразить одним уравнением:

N+e₀U_i↔N⁺+e₀ (30)

где

N - элементарные частицы в нейтральном состоянии;

e₀U_i – работа ионизации;

e₀ – элементарный отрицательный заряд;

N⁺ - положительно заряженные частицы.

Термической ионизации называется ионизация, вызванная в газе интенсивным тепловым движением его атомов (молекул) эта ионизация является разновидностью ударной ионизации. Энергию необходимую для ионизации атома получают только за счет соударений в тепловом давлении?

Предполагая, что газ при термоионизации находится в термодинамическом равновесии можно получить уравнение степени термической ионизации. Это уравнение вывел индийский ученный Сах:

(31)

где х - степень ионизации, т.е. отношения числа ионизированных молекул к полному числу молекул до ионизации в единице объема.

Однако в приведенном виде уравнение Саха имеет существенный недостаток. Оно не учитывает квантовых статистических весов состояния молекул g_g и образующийся g_p. Неучет этих факторов может вызвать ошибку в определении степени ионизации в несколько раз.

Учет эти факторы, В.Л. Грановский, дает уравнение термической ионизации в следующем виде

(32)

В таблице 1 приведены значения наименьших потенциалов ионизации и возбуждения для элементов, которыми чаще всего приходиться встречаться в руднотермических процессах.

На рисунке приведены графики степени ионизации некоторых элементов в зависимости от температуры.

Таблица 2 – Наименьшие потенциалы ионизации и возбуждения некоторых элементов

Рисунок 5. Влияние температуры на степень ионизации атомов

Для смеси нескольких газов вводят понятие о средней степени ионизации всей смеси, под которой понимают отношение числа всех ионизированных молекул к полному числу молекул в смеси до ионизации.

Если обозначить X степень ионизации, N_O – число нейтральных молекул, а через N_U – число ионизированных молекул k – того газа, то

(33)

Средняя степень ионизации всей смеси

Между = x_k и x_рез температурной и потенциалом ионизации существует следующие соотношение:

(35)

где р – суммарное давление смеси, мм.рт.ст.

Контрольные вопросы

1. Виды ионизации.

2. Формула Саха.

3. Уравнение расчета ионизации смеси газов.

Литература

1. Сисоян А.Г. Электрическая дуга в электрической печи. М.: Металлургия. 1974г.- 188с.

2.Дембовский В. Плазменная металлургия.- М.: Металлургия. 1981. -280с.

3. Свенчанский А.Д., Смелянский М.Я. Электрические промышленные печи. Часть 2 М.: Энергия.1970г.-226с.

4. Лесков Г.И. Электрическая сварочная дуга. М.Машиностроение. 1970.- 256с.