§11. Електричний струм у газах
11.1. Іонізація і рекомбінація
Гази на відміну від металів і електролітів за звичайних умов складаються з електрично нейтральних атомів та молекул і тому не є провідниками електрики. Досліди підтверджують це. Заряджений електрометр на ізольованій підставці в сухому атмосферному повітрі довгий час не втрачає свого заряду тому, що він практично не розряджається через повітря, бо в ньому немає вільних зарядів. Якщо до двох обкладок плоского повітряного конденсатора під єднати джерело струму і послідовно увімкнути гальванометр, то в разі замикання електричного кола гальванометр не зафіксує струму, оскільки повітряний прошарок між обкладками конденсатора є ізолятором. Підігрівши повітряний прошарок конденсатора запаленим сірником, будемо спостерігати помітний струм. Отже, щоб газ став провідним, треба внести або створити в ньому вільні носії заряду. Це можна здійснити, перш за все, способом іонізації нейтральних атомів або молекул газу. Іонізація газів можлива під впливом космічного, рентгенівського або радіоактивного проміння, через зіткнення атомів із швидкими електронами або іншими елементарними чи атомними частинками, під час нагрівання газів тощо. У кожному разі відбувається відщеплення з електронної оболонки атома чи молекули одного або кількох електронів. Цей процес називають іонізацією. Внаслідок іонізації з'являються вільні електрони і позитивно заряджені іони. Вільні електрони, у свою чергу, можуть захоплюватись нейтральними атомами або молекулами, перетворюючи останні в негативні іони. Таким чином, у газі під дією іонізаторів з'являються позитивні і негативні іони та вільні електрони. Газ стає провідником струму. Між іншим, гази (наприклад, повітря) за звичайних природних умов мають незначну провідність, зумовлену частковою іонізацією їх під дією космічного проміння та опромінення радіоактивними елементами, які завжди в невеликій кількості є на поверхні землі та в повітрі.
Атоми і молекули є стійкими системами заряджених частинок. Для відриву від атома електрона потрібно затратити енергію, яку називають енергією або роботою іонізації. Робота іонізації Аi атомів різних газів не однакова. Вона залежить від хімічної природи газу та енергетичного стану електрона в атомі або молекулі. Виражається робота іонізації в електрон-вольтах. Енергію іонізації характеризують потенціалом іонізації φi, під яким розуміють ту різницю потенціалів, яку має пройти електрон у прискорювальному електричному полі, щоб набути енергії, яка дорівнює роботі іонізації:
.
Іони та вільні електрони в іонізованому газі, як І нейтральні атоми та молекули, перебувають у постійному хаотичному русі. У разі зближення протилежно заряджених частинок вони з'єднуються між собою і утворюють нейтральні атоми та молекули. Цей процес називають рекомбінацією. Під час рекомбінації позитивного іона та електрона або двох іонів протилежних знаків звільняється енергія, яка витрачалась при їх іонізації. Якщо іонізація газу відбувається досить довго, то за відсутності зовнішнього електричного поля між процесами іонізації і рекомбінації встановлюється динамічна рівновага. Це означає, що кількість пар іонів, створюваних іонізатором за одиницю часу в одиниці об'єму газу, дорівнюватиме кількості нейтральних атомів і молекул, які утворюються в тому ж об'ємі газу за той самий час.
Рекомбінація іонів супроводжується виділенням енергії здебільшого у вигляді світлового випромінювання, тому процеси, які відбуваються при рекомбінації, характерні світінням газу.
