Потенциал возбуждения и ионизации

Потенциал возбуждения и ионизации

Известно, что атом состоит из положительного иона и электронов, число которых определяется номером элемента в периодической таблице Д.И. Менделеева. Электроны в атоме находятся на определенных энергетических уровнях. Если электрон получает извне некоторую энергию, он переходит на более высокий уровень, который называется уровнем возбуждения [5,6].

Обычно электрон находится на уровне возбуждения непродолжительное время, порядка 10 -8 с. При получении электроном значительной энергии он удаляется от ядра на столь большое расстояние, что может потерять с ним связь и становится свободным. Наименее связанными с ядром являются валентные электроны, которые находятся на более высоких энергетических уровнях и поэтому легче отрываются от атома. Процесс отрыва электрона от атома называется ионизацией.

На рис. 1.3 показана энергетическая картина валентного электрона в атоме. Здесь W o – основной уровень электрона, W мст – метастабиль-

ный уровень, W 1 ,W 2 – уровни возбуждения (первый, второй и т.д.).

Часть I. Глава 1. Электронные и ионные процессы в газовом разряде

Рис. 1.3. Энергетическая картина электрона в атоме

W ′ = 0 – это состояние, когда электрон теряет связь с атомом. Величина W и = W ′ − W o являет-

ся энергией ионизации. Значения указанных уровней для некоторых газов приведены в табл. 1.3 [17].

Метастабильный уровень характеризуется тем, что на него и с него переходы электрона запрещены. Этот уровень заполняется так называемым обменным взаимодействием, когда электрон извне садится на уровень W мст , а избыточный

электрон покидает атом. Метастабильные уровни играют важную роль в процессах, протекающих в газоразрядной плазме, т.к. на нормальном уровне возбуждения электрон находится в течение 10 -8 с, а на метастабильном уровне – 10 -2 ÷ 10 -3 с.

Процесс возбуждения атомных частиц определяет и ионизацию посредством так называемого явления диффузии резонансного излучения. Это явление заключается в том, что возбужденный атом, переходя в нормальное состояние, испускает квант света, который возбуждает следующий атом, и так далее. Область диффузии резонансного излучения определяется длиной свободного пробега фотона λ ν , которая зави-

сит от плотности атомных частиц n . Так, при n= 10 16 см -3 λ ν =10 -2 ÷ 1

см. Явление диффузии резонансного излучения также определяется наличием метастабильных уровней.

Ступенчатая ионизация может происходить по разным схемам: а) первый электрон или фотон производит возбуждение нейтраль-

ной частицы, а второй электрон или фотон сообщает валентному электрону добавочную энергию, вызывая ионизацию этой нейтральной частицы;

Часть I. Глава 1. Электронные и ионные процессы в газовом разряде

б) электрон с энергией

оказывается вблизи возбуж-

денного атома, и в этот момент возбужденный атом переходит в нормальное состояние и излучает квант света, который увеличивает энер-

гию этого электрона, так что его энергия становится

в) наконец, два возбужденных атома оказываются вблизи друг друга. При этом один из них переходит в нормальное состояние и испускает квант света, который ионизирует второй атом.

Следует отметить, что ступенчатая ионизация становится эффективной, когда концентрация быстрых электронов (с энергией, близкой

Читайте также:  Маленькое пианино как называется

к W и ), фотонов и возбужденных атомов достаточно велика. Это име-

ет место, когда ионизация становится достаточно интенсивной. В свою очередь, падающие на атомы и молекулы фотоны также могут производить возбуждение и ионизацию (прямую или ступенчатую). Источником фотонов в газовом разряде является излучение электронной лавины.

1.6.1. Возбуждение и ионизация молекул

Для молекулярных газов необходимо учитывать возможность возбуждения самих молекул, которые в отличие от атомов совершают вращательные и колебательные движения [2,3,6]. Эти движения также квантуются. Энергия скачка при вращательном движении составляет 10-3 ÷ 10-1 эВ, а при колебательном движении – 10-2 ÷ 1 эВ.

При упругом соударении электрона с атомом электрон теряет не-

значительную часть своей энергии

рении электрона с молекулой электрон возбуждает вращательное и колебательное движение молекул. В последнем случае электрон теряет особенно значительную энергию до 10 -1 ÷ 1 эВ. Поэтому возбуждение колебательных движений молекул является эффективным механизмом отбора энергии от электрона. При наличии такого механизма ускорение электрона затрудняется, и требуется более сильное поле для того, чтобы электрон мог набрать энергию, достаточную для ионизации. Поэтому для пробоя молекулярного газа требуется более высокое напряжение, чем для пробоя атомарного (инертного) газа при равном межэлектродном расстоянии и равном давлении. Это демонстрируют данные табл. 1.4, где проведено сравнение величин λ t ,S t и U пр атом-

ных и молекулярных газов при атмосферном давлении и d = 1.3 см.

Часть I. Глава 1. Электронные и ионные процессы в газовом разряде

S t 10 − 16 , см 2

Из табл. 1.4 видно, что хотя транспортные сечения S t для молеку-

лярных газов и аргона соизмеримы, однако пробивное напряжение аргона существенно ниже.

1.7. Термическая ионизация

При высоких температурах может происходить ионизация газа за счет повышения кинетической энергии атомных частиц, называемая термической ионизацией. Так, для паров Na, K, Cs термическая ионизация значительна при температуре в несколько тысяч градусов, а для воздуха при температуре порядка 10 4 град [4,6 ] . Вероятность термической ионизации растет с повышением температуры и уменьшением потенциала ионизации атомов (молекул). При обычных температурах термическая ионизация незначительна и практически может оказать влияние только при развитии дугового разряда.

Однако следует отметить, что еще в 1951 г. Хорнбеком и Молнаром было обнаружено, что при пропускании моноэнергетических электронов через холодные инертные газы происходит образование ионов при энергии электронов, достаточных только для возбуждения, но не для ионизации атомов. Этот процесс был назван ассоциативной ионизацией.

Ассоциативная ионизация иногда играет важную роль при распространении волн ионизации и искровых разрядов в местах, где электронов еще очень мало. Возбужденные атомы образуются там в результате поглощения квантов света, выходящих из уже ионизированных областей. В умеренно нагретом воздухе, при температурах 4000 ÷ 8000 К, молекулы в достаточной степени диссоциированы, но электронов еще слишком мало для развития лавины. Основным механизмом ионизации при этом является реакция, в которой участвуют невозбужденные атомы N и О .

Ассоциативная ионизация протекает по следующей схеме N + O + 2 . 8 эВ ↔ NO + + q . Недостающая энергия 2.8 эВ черпается за счет кинетической энергии относительного движения атомов.

Читайте также:  Quake 3 моды на оружие

Согласно теории Бора, атом может находиться только в опреде­ленных стационарных состояниях с дискретными значениями энергии Е, Е1, Е2. . Поглощение или излучение энергии происходит лишь при переходе атома из одного стационарного состояния в дру­гое. При этом поглощается или испускается квант света, частота которого определяется из условия

При отсутствии каких-либо воздействий атом находится в состоя­нии с минимальной энергией Е . Для перехода в более высокое энер­гетическое состояние атом необходимо возбудить, т.е. сообщить ему определенную порцию энергии. Это возбуждение может быть осуществ­лено различными способами. Франк и Герц использовали для этой цели столкновения с атомами свободных электронов. Принципиальная схема опыта представлена на рис. 6.

Трехэлектродная трубка, аналогичная вакуумному триоду, заполнялась разреженными парами ртути. Вылетающие из катода элек­троны ускорялись положительным потенциалом V, наложенным на се­тку С. На анод А подавался потенциал, несколько меньший, чем на сетку, так что между С и А создавалось задерживавшее поле с нап­ряжением Uз порядка 0.1 – 0.5 В. Измерялась зависимость величи­ны анодного тока I от ускоряющего потенциала U. Результаты из­мерения приведены на рис. 7.

Кривая I(U) состояла из ряда максимумов, первый из которых приходился на 4.9 В. Расстояние между максимумами оказалось оди­наковым и равным также 4.9 В. Объяснение этих закономерностей заключается в cледующем.

Ускоренные электроны сталкиваются с атомами ртути в простран­стве между катодом и сеткой. Если их энергия меньше 4.9 эВ, то столкновения носят упругий характер, т.е. не сопровождаются передачей атому какой-либо энергии. Электроны после таких столкновений способны преодолеть задерживающее поле Uз и достигнуть анода. Поэтому при увеличении ускоряющего потенциала от нуля ток возра­стает по закону, характерному для термоэлектронных приборов. Это соответствует участку АВ на рис. 7. Когда кинетическая энергия электронов достигает 4.9 эВ, их столкновения с находящимися у сет­ки атомами становятся неупругими. Электроны передают всю свою энергию атомам, и, потеряв скорость, задерживаются встречным полем и не попадают на анод. Величи­на анодного тока резко уменьшается, что соответствует участку ВС на рис. 7. При дальнейшем повышении напряжения U энергия 4.9 эВ дости­гается электронами уже перед сеткой на некотором расстоянии от нее, например, в точке М. Теперь электроны, сталкиваясь неупруго с атомами, теряют энергии уже в этой точке. Но на остатке пути, т.е. вдоль пути МC, они снова ускоряются и могут преодолеть задерживающую разность потенциалов Uз. Ток вновь возрастает (участок СD на рис.7). Когда ускоряющий потенциал достигает 9.8 В, электроны на своем пути сталкиваются неупруго с атомами ртути дважды: первый раз посередине между катодом и сеткой, и второй раз — непосредственно перед сеткой. В результате ток снова начи­нает падать.

Эти опыты показали, что минимальная энергия, которую электрон может передать атому ртути, в результате неупругого столкновения, составляет величину 4.9 эВ. Следовательно, у атома ртути есть, по крайней мере, два энергетических состояния: невозбужденное (или основное) с энергией E и первое возбужденное состояние с энергией E1 = Е + 4.9 эВ. Ускоряющий потенциал, при котором энергия электронов становится достаточной для перевода атома в первое возбужденное состояние, называется первым потенциалом возбуждения. Для атома ртути его величина составляет 4.9 В.

Читайте также:  Tp link m7350 цена

Кроме первого у атома ртути имеются и другие, более высо­кие энергетические состояния Е2, Е3, … и соответствующие потенциалы возбуждения. Они также могут быть найдены при помощи метода электронных соударений. Однако экспериментальная методика для этой цели должна быть видоизменена.

Таким образом, описанный опыт дал непосредственное подтверждение первого постулата Бора о дискретности энергетических состоя­ний атома. В последующих опытах Франк и Герц попытались прове­рить и второй постулат, или условие частот (1). Они исходили из того, что атомы ртути, получив энергию 4.5 эВ, переходят в воз­бужденное состояние, и при обратном переходе в нормальное состо­яние должны излучать кванты света с энергией, в точности разной 4.9 эВ. Длина волны такого излучения должна составлять 2533 Ǻ. В 1921 г. Франк и Герц действительно обнаружили свечение паров ртути при бомбардировке их электронами с энергией 4.9 эВ. Спектр излучения состоят из одной монохроматической линии с длиной вол­ны 2537 Ǻ.

Признанием исключительной важности опыта Франка и Герца для paзвития атомной физики можно считать присуждение в 1925 авторам Нобелевской премии.

На освобождение электрона от связи с атомным ядром, вследствие чего и происходит образование положительного иона, необходимо затратить определенное количество энергии. Энергия, израсходованная на отрыв электрона, называется Работа ионизации, выраженная в электронвольтах, называется (электронвольт-единица энергии, которую приобретает электрон, ускоренный электрическим полем с разностью потенциалов в 1 В). Если сообщить связанному электрону газовой молекулы или атома некоторое количество дополнительной энергии, то электрон перейдет на новую орбиту с более высоким энергетическим уровнем, а молекула или атом будут находиться в возбужденном состоянии. Количество энергии, выраженное в электронвольтах, которое необходимо затратить для возбуждения атома или молекулы газа, называется Возбужденное состояние атома или молекулы газа является неустойчивым, и электрон может снова возвратиться на стационарную орбиту, а атом или молекула перейдет в нормальное невозбужденное состояние. Энергия возбуждения при этом передается в окружающее пространство в форме светового электромагнитного излучения.

Величина потенциала ионизации и возбуждения зависит от природы атома. Наименьший потенциал ионизации (3,9 эВ) имеют пары цезия, а наибольший (24,5 эВ) наблюдается у газа гелия. У щелочноземельных металлов (цезия, калия, натрия, бария, кальция) связь между электронами и ядром невелика, поэтому они имеют наименьшие потенциалы ионизации, следовательно, на возбуждение и работу выхода электрона потребуется затратить меньше энергии, чем у железа, марганца, меди и никеля. Элементы, имеющие меньшие потенциалы ионизации и возбуждения, чем свариваемый металл, вводят в состав электродных покрытий, чтобы повысить стабилизацию дугового разряда в газах. Количество энергии, которое необходимо для выделения электрона из металла или жидкого тела, называется и выражается в электронвольтах.

Ссылка на основную публикацию
Получить значение из входящих данных конвертация данных
Задача. Необходимо конвертировать реквизит "Вес" справочника "Товары"(самописная конфигурация) в свойство номенклатуры (регистр сведений) справочника "Номенклатура" (УПП 1.3). Предполагается, что свойства...
Планшет до 20000 рублей 2018
Некоторые пользователи готовы потратить на планшет весьма весомую сумму, зачастую это несколько десятков тысяч рублей. В нашем обзоре мы рассмотрим...
Планшет под навигатор в машину
Добрый день, коллеги! Частенько на форуме и в нете проскакивает вопрос: "Что лучше купить: навигатор, телефон или планшет с GPS...
Получить номер уин гто
В двадцать первом веке становится очень модно заниматься спортом. Потому неудивительно, что министерство спорта Российской Федерации внедрило систему «ГТО». Уникальная...
Adblock detector