Номер 8, страница 165 - гдз по физике 10 класс учебник Закирова, Аширов

8. При каком условии происходит самоионизация газа?

8. Самоионизация газа — это процесс возникновения и поддержания электрического тока в газе (газового разряда) без помощи внешнего ионизатора (например, ультрафиолетового излучения или рентгеновских лучей). Такой разряд называется самостоятельным.

Основное условие для самоионизации заключается в том, чтобы процессы, рождающие новые заряженные частицы внутри самого газа, преобладали над процессами их исчезновения (рекомбинации, ухода на электроды).

Механизм самоионизации можно описать следующим образом:

1. В газе всегда присутствует небольшое количество случайных свободных электронов и ионов (например, из-за космического излучения). При приложении достаточно сильного электрического поля свободный электрон начинает ускоряться.

2. Набрав достаточную кинетическую энергию (превышающую энергию ионизации атома или молекулы газа), электрон при столкновении с нейтральной частицей может выбить из нее другой электрон. Этот процесс называется ударной ионизацией. В результате вместо одного электрона появляются два, а также один положительный ион.

3. Оба электрона (первичный и вторичный) снова ускоряются полем и могут вызывать новые акты ионизации. Это приводит к лавинообразному нарастанию числа свободных электронов, движущихся к аноду. Этот процесс называется электронной лавиной.

4. Для того чтобы разряд стал самоподдерживающимся, необходимо, чтобы в системе постоянно возобновлялись начальные электроны у катода. Эту функцию выполняют вторичные процессы. Главный из них — это вторичная электронная эмиссия: положительные ионы, образовавшиеся в лавине, движутся к катоду, и при ударе о его поверхность выбивают из него новые (вторичные) электроны.

Таким образом, ключевое условие самоионизации (возникновения самостоятельного разряда) состоит в том, что каждая начатая электронная лавина должна порождать посредством вторичных процессов у катода в среднем хотя бы один новый электрон, способный вызвать следующую лавину.

Математически это условие (критерий Таунсенда) записывается как:

$\gamma (e^{\alpha d} - 1) \ge 1$

где:

• $\alpha$ — коэффициент ударной ионизации (первый коэффициент Таунсенда), показывающий, сколько в среднем актов ионизации совершает один электрон на единице пути в направлении поля.

• $d$ — расстояние между электродами.

• Выражение $(e^{\alpha d} - 1)$ равно числу ион-электронных пар, созданных одним начальным электроном в лавине.

• $\gamma$ — коэффициент вторичной электронной эмиссии (второй коэффициент Таунсенда), показывающий, сколько в среднем вторичных электронов выбивается с катода одним положительным ионом.

На практике это означает, что для самоионизации необходимо создать достаточно сильное электрическое поле, напряженность которого зависит от рода и давления газа, а также от материала электродов.

Ответ: Самоионизация газа происходит при условии, что каждый свободный электрон, инициирующий электронную лавину, приводит к появлению у катода как минимум одного нового свободного электрона за счет вторичных процессов (в основном за счет выбивания электронов из катода положительными ионами). Это обеспечивает цепную реакцию и поддержание разряда без внешнего ионизатора.