Номер 1, страница 115, часть 2 - гдз по физике 10 класс учебник Кронгарт, Казахбаева

1. Как объяснить механизм ионизации газов, производимой следующими ионизаторами газа: а) нагреванием до высокой температуры; б) с помощью рентгеновских лучей; в) с помощью ультрафиолетовых лучей; г) с помощью $\alpha$-лучей?

1. Ионизация газа — это процесс отрыва электрона от атома или молекулы газа, в результате чего образуются положительный ион и свободный электрон. Для этого необходимо сообщить атому энергию, равную или превышающую энергию ионизации. Механизмы ионизации различаются в зависимости от ионизатора.

а) нагреванием до высокой температуры

При нагревании газа средняя кинетическая энергия его атомов и молекул возрастает пропорционально абсолютной температуре ($E_k = \frac{3}{2}kT$). При очень высоких температурах (тысячи кельвинов и выше) частицы газа движутся с огромными скоростями. В результате их столкновения становятся настолько сильными, что кинетической энергии сталкивающихся частиц оказывается достаточно для выбивания электрона из электронной оболочки другого атома. Этот процесс называется ударной или термической ионизацией. Газ переходит в состояние плазмы — смеси ионов, электронов и нейтральных частиц.

Ответ: Ионизация при нагревании происходит за счет столкновений атомов (молекул) газа, которые при высокой температуре обладают достаточной кинетической энергией, чтобы при соударении выбить электрон из другого атома.

б) с помощью рентгеновских лучей

Рентгеновские лучи представляют собой высокоэнергетическое электромагнитное излучение. Оно состоит из фотонов, энергия которых ($E = h\nu$) значительно превышает энергию ионизации атомов большинства газов. Когда рентгеновский фотон взаимодействует с атомом, он может поглотиться, передав всю свою энергию одному из электронов атома (явление фотоэффекта). Если эта энергия больше, чем энергия связи электрона с ядром, электрон покидает атом, превращая его в положительный ион. Этот механизм называется фотоионизацией. Вылетевший электрон (фотоэлектрон) может обладать достаточной энергией для дальнейшей ионизации других атомов путем соударений.

Ответ: Ионизация рентгеновскими лучами происходит в результате фотоэффекта: фотон рентгеновского излучения, обладающий большой энергией, поглощается атомом и выбивает из него электрон.

в) с помощью ультрафиолетовых лучей

Механизм ионизации ультрафиолетовыми (УФ) лучами аналогичен рентгеновскому — это также фотоионизация. УФ-излучение является электромагнитным, но его фотоны обладают меньшей энергией, чем фотоны рентгеновских лучей. Поэтому УФ-лучи могут ионизировать только те газы, энергия ионизации атомов которых не превышает энергию УФ-кванта. Например, жесткий ультрафиолет способен ионизировать атомы кислорода и азота в верхних слоях атмосферы, но для ионизации некоторых инертных газов с высокой энергией ионизации может потребоваться более коротковолновое (вакуумное) УФ-излучение.

Ответ: Ионизация ультрафиолетовыми лучами происходит так же, как и рентгеновскими, за счет фотоэффекта, но только для тех газов, чья энергия ионизации меньше энергии фотона УФ-излучения.

г) с помощью α-лучей

α-лучи — это поток α-частиц (ядер атома гелия, $He^{2+}$), обладающих большим положительным зарядом и высокой кинетической энергией. Пролетая через газ, α-частица своим мощным электрическим полем взаимодействует с электронами в атомах газа. Сила кулоновского притяжения со стороны α-частицы может оказаться достаточной, чтобы вырвать электрон из атома, мимо которого она пролетает. Этот процесс является ударной ионизацией. Поскольку α-частица тяжелая и имеет двойной заряд, она очень эффективно ионизирует газ, создавая на своем коротком пути плотный след из ионов и электронов.

Ответ: Ионизация α-лучами происходит за счет кулоновского взаимодействия: быстрая положительно заряженная α-частица своим электрическим полем вырывает электроны из атомов газа, встречающихся на ее пути.