Ионизирующие агенты

Ионизирующим агентом называется всякий физический деятель, обусловливающий ионизацию газа, или, в более широком смысле этого термина, всякий деятель, обусловливающий появление в дан­ном объеме ионов различных категорий.

При этом необходимо иметь в виду, что действие ионизирующего агента на газ обычно не сопровождается непрерывным воз­растанием числа ионов в единице объема газа, так как наряду с образованием ионов действуют и факторы, уменьшающие их число, например, так называемая рекомбинация ионов, т. е. воссоединение двух ионов разных знаков, имеющие своим результатом обратное образование нейтральной частицы. Обычно, в случае непрерывно действующего ионизирующего агента скоро наступает подвижное равновесие, при котором в единицу времени в каждом элементе объема газа столько ионов образуется вновь, сколько выбывает в силу рекомбинации, В особых случаях, однако, может иметь место столь быстрое нарастание числа ионов, что стационарное состоя­ние не достигается (см. § 81).

Не претендуя на исчерпывающую полноту, ниже мы приводим перечень ионизирующих агентов, известных в настоящее время. Прежде всего мы перечислим ионизирующие агенты, могущие воз­действовать непосредственно на газы, в объеме, ими занимаемом:

1. Рентгеновы лучи.

2. Ультрафиолетовые лучи.

3. Излучения радиоактивных веществ, т. е. так называемые a, b и g-лучи.

4. Космические лучи.

5. Электрическое поле, сила которого превышает некоторое зна­чение, определяемое в каждом частном случае целым рядом обстоя­тельств: температурой, давлением, природой газа и т. д.

6. Высокая температура газа.

7. Коллизии, т. е. соударений частиц, газа. Известно, что в среде газа мы имеем дело с непрерывным движением частиц вещества (молекул газа). По теории вероятностей в данном объеме газа имеется некоторое, вообще говоря, очень незначительное, количество таких частиц, которые движутся с весьма большими скоростями, т. е. обладают сравнительно большим запасом кинетической энер­гии. Эти соударения особо быстро движущихся частиц газа с дру­гими частицами могут, повидимому, в случае достаточной величины кинетической энергии сопровождаться, выбиванием электрона из нейтральной молекулы газа в связи с переходом известной границы в относительном расположении отдельных элементов, входящих в состав той сложной структуры, которую представляет собою атом вещества и его молекула. Таким образом, благодаря коллизии, из нейтральной молекулы газа может образоваться два иона: элек­трон и положительно заряженный остаток молекулы. Чем выше температура газа, тем больше скорости теплового движения моле­кул газа и тем становится больше вероятность расщепления ней­тральной молекулы газа на два иона благодаря коллизии. Есть основание предполагать, что и при обычной комнатной температуре это явление, хотя и в сравнительно очень слабой степени, все же имеет место. Этим обстоятельством, помимо ионизирующего дей­ствия космических лучей и возможных следов радиоактивных ве­ществ, вообще говоря, тоже весьма слабого, видимо, и объясняется всегда присущая газу в нормальных условиях чрезвычайно ничтож­ная проводимость (см. первые строки § 77). При высоких же тем­пературах газовой среды роль коллизий, т. е. соударений молекул, выступает на первый план в качестве причины ионизации (п. 6 этого параграфа). В настоящее время не подлежит никакому сомне­нию, что и механизм ионизации сильным электрическим полем (п. 5 этого параграфа) по существу состоит в быстром нарастании числа коллизий, расщепляющих нейтральные молекулы на пары ионов. Дело в том, что ионы, всегда, как было только-что указано, имеющиеся в газе даже при нормальных условиях, под действием электрического поля, получают добавочные ускорения, и если длина свободного пути пробега ионов достаточно велика, что определяется давлением газа, эти начальные ионы могут приобрести столь

значительные приращения скорости движения и определяемой этим кинетической энергии, что становятся способными при соударении с встречающимися на пути нейтральными молекулами расщеплять их на пары ионов. Эти последние ионы в свою очередь под действием электрического поля приобретают большие ско­рости и расщепляют другие нейтральные молекулы и т. д. Та раз­ность потенциалов, под влиянием которой ион приобретает прира­щение кинетической энергии, достаточное для расщепления встреч­ной нейтральной молекулы, называется ионизирующим потенциалом и обозначается обычно через U_i. К расщеплению нейтральной мо­лекулы газа на пары ионов под действием какого-либо „удара" сводится, вообще говоря, и воздействие на газ со стороны всех других ионизирующих агентов (пп. 1, 2, 3 и 4 настоящего пара­графа). Во всех этих случаях мы имеем дело либо с каким-то им­пульсом, который получает нейтральная молекула при падении на нее достаточно мощного кванта лучистой энергии, либо с соударе­ниями этой молекулы с очень быстро несущимися частицами неко­торой физической материи (случай a и b лучей, испускаемых радио­активными веществами).

После всего сказанного выше о ионизирующих агентах, про­являющих свое действие в объеме газа, мы продолжим перечень, распространительно понимая под термином „ионизирующий агент" всякий вообще фактор, обусловливающий появление ионов в газе. Это именно имеет отношение к целому ряду случаев, со стороны внешней обстановки характеризуемых соприкосновением газообраз­ной среды с твердыми или жидкими телами.

8. Высокая температура твердых и жидких тел. Как показы­вает исчерпывающее обследование этого случая, из накаленных твердых и жидких тел выделяются в окружающее пространство так называемые термионы, прдставляющие собою не что иное, как, электроны. При очень высокой температуре электрода эти элек­троны выделяются из него весьма мощным потоком, играющим в ряде случаев большую роль при прохождении тока через газы и пустоту. Техническое значение этого источника ионов чрезвычайно велико (см. §§ 85, 86, 88 и 89). В естественных условиях сверх­мощные потоки таких электронов излучаются находящимися при высокой температуре небесными светилами, например, солнцем. Попадая в верхние слои земной атмосферы, потоки излучаемых солнцем электронов вызывают разного рода свечения разреженных газов (северные сияния) и, вероятно, играют, сверх того, некото­рую роль в качестве метеорологического фактора.

9. Фотоэлектрический эффект. Явление это, впервые тщательно изученное Столетовым, состоит, как теперь установлено, в сле­дующем: если на поверхность твердого или жидкого тела падает поток лучистой энергии, то при определенных условиях от поверх­ностного слоя этого тела отщепляются электроны, которые и попа­дают в окружающее пространство. Они в этом случае называются фотоэлектронами. Если освещать очень тонкую пластинку с од­ной стороны, то электроны вылетают и с противоположной сто-

роны. Условие возникновения фотоэлектрического эффекта заклю­чается в том, что не все лучи вызывают это явление и что пределы длин волн действующих лучей зависят от рода вещества, на по­верхность которого они падают. Наиболее активными, вообще го­воря, являются лучи малой длины волны (ультрафиолетовые и рент­геновы лучи), но щелочные металлы чувствительны и к видимым лучам, а при некоторых условиях — даже к инфракрасным лучам. Элементарный фотоэффект был тщательно изучен А. Ф. Иоффе, который действовал ультрафиолетовыми лучами на мельчайшие частицы твердых металлов и ртути, взвешенные в воздухе при наличии электрического поля и отчетливо наблюдал моменты от­щепления от этих частиц отдельных электронов. Несомненно, что отмеченное в пп. 1, 2 и 3 настоящего параграфа ионизирующее действие на газы рентгеновых и ультрафиолетовых лучей, а также gm-лучей, испускаемых радиоактивными веществами, относится к категории фотоэлектрических действий на отдельные моле­кулы газа.

10. Химические реакции. Во многих случаях химических и элек­трохимических реакций, при которых выделяются газы, эти последние оказываются в большей или меньшей степени ионизированными. Пример подобного явления мы имеем при электролизе водных растворов кислот и щелочей. Повидимому, к этой же группе явлений следует отнести и давно известный факт, что воздух, приходящий в соприкосновение с фосфором, весьма заметно проводит ток, т. е. ионизирован.

11. Деформирование поверхности жидкости и твердого тела в атмосфере газа. Описанный в § 77 опыт с устранением силь­ной ионизации воздуха при пропускании его мелкими пузырьками через воду, собственно говоря, не сопровождается полным исчез­новением ионизации. Она значительно ослабляется, но все же ос­тается больше естественной ионизации воздуха при нормальных условиях. Как показывают тщательные исследования, воздух в по­добных случаях получает добавочную ионизацию обычно не очень значительную. Кроме того, воздух оказывается обладающим избы­точной электризацией того или иного знака в зависимости от сте­пени чистоты воды и характера примесей к ней. К этой же группе явлений относится и обследованный впервые Ленардом факт иони­зации воздуха у подножия водопадов, на берегу моря в случае сильного прибоя и т. п. Во всех этих случаях также имеет место избыток ионов того или другого знака в зависимости от примесей к воде. Все рассмотренное здесь применительно к воде имеет от­ношение и к случаю ряда других жидкостей и, между прочим, к слу­чаю ртути. Вообще, по Дж. Дж. Томсону, всякое деформирование или нарушение поверхности жидкости и даже твердого тела может сопровождаться появлением ионов в окружающем газе. Следова­тельно, испарение жидкости и, в особенности, малых ее капель, повидимому, в некоторых случаях может порождать газовые ионы. Значение всего, сказанного в этом пункте, для области атмосфер­ного электричества совершенно очевидно.

12. Ионная бомбардировка. Если у поверхности твердого или жидкого тела нормальная составляющая электрической силы имеет достаточно большое значение, то находящиеся в окружающем газе ионы соответствующего знака, приобретя скорость, превышающую некоторый предел, и ударяясь об эту поверхность, могут, как по­казывает опыт, выбивать из данного вещества электроны. Эти осво­божденные электроны переходят в окружающую газовую среду, уве­личивая в ней число носителей электричества, т. е. ионов. Подобная ионная бомбардировка возможна и в том случае, когда ионы при­обретут достаточную кинетическую энергию и вдали от рассматри­ваемой поверхности, двигаясь далее по инерции. Отрицательный холодный электрод, находящийся в ионизированной газовой среде, будет испытывать бомбардировку со стороны тяжелых положитель­ных ионов, и при этом его поверхность может начать испускать поток электронов. Электроны, ударяющиеся с достаточною скоростью о поверхность находящегося на их пути тела, могут вызвать выде­ление с поверхности его так называемых вторичных электронов. Сказанное в настоящем п. 12 имеет тесную связь с содержанием п. 7 данного параграфа.

Дата добавления: 2014-11-29