Cтраница 2
Опыт показывает, что эти упрощенные представления не полностью соответствуют реальной действительности. Длина свободного пути электрона в газе зависит от скорости движения электрона. Обнаружено это явление было Рамзауером [905, 985] прежде всего для движения электронов в инертных газах. Под действием пучка ультрафиолетовых лучей, входящих через окошко L ( рис. 126), металлическая пластинка Z эмиттирует электроны. [16]
Длина свободного пути электрона в воздухе известна. Однако необходимо считаться с тем, что в очень тонком слое области катодного падения присутствуют пары металла катода. К сожалению, нам неизвестна длина свободного пути электрона в парах меди или железа. [17]
Электроны на своем пути ионизируют атомы газа и создают новые ионы, что ведет в соответствии с теорией к резкому возрастанию тока. В дальнейшем существенную роль играет катодное падение потенциала. Оно сосредоточено на пространстве порядка длины свободного пути электронов. Электроны здесь приобретают скорость, достаточную, чтобы удары стали носить неупругий характер. В этой же области положительные ионы ускоряются в направлении к катоду и, ударяясь о него, выбивают с его поверхности новые электроны, наличие которых еще больше повышает проводимость газа. [18]
Для того чтобы расшифровать явления разряда в газах, необходимо изучить не только все перечисленные выше элементарные процессы, но и характер движения электронов и ионов в газе при наличии электрического поля и без него. Сюда относятся вопросы о подвижности ионов и электронов, вопросы о распределении скоростей и энергии в беспорядочном тепловом движении ионов и электронов. В той же связи существен вопрос о длине свободного пути электронов и ионов, точнее - об эффективном сечении атомов и молекул по отношению к тем или иным актам их взаимодействия с электронами и ионами, и вопрос о характере рассеяния пучка электронов или ионов при встрече с молекулами и атомами газа. В вопросах баланса числа тех или других частиц и баланса энергии существенную роль играют процессы излучения квантов энергии возбужденными атомами и молекулами и длительность их пребывания в состоянии возбуждения. [19]
Очень важен вопрос о пределах применимости теории зондов и об искажениях, вносимых в зондовые характеристики различными факторами. При очень низком давлении плотность пространственных зарядов слишком мала, чтобы защитить поверхность зонда от непосредственного электростатического действия катода или анода. При увеличении давления газа теория перестает быть применимой, если длина свободного пути электрона или иона становится соизмеримой с толщиной слоя пространственного заряда около зонда. Внутри этого слоя начинают происходить не предусмотренные теорией неупругие соударения. Нельзя применять метод зондовых характеристик также и в случае слабых разрядных токов, так как в этом случае токи на зонд существенно нарушают режим разряда. [20]
Мы рассмотрим лишь простейший метод, заключающийся в следующем. В катодной трубке ( рис. 137) между раскаленным катодом К и анодом А получается электронный ток. В трубке имеется в небольшом количестве газ, так что длина свободного пути электронов несколько меньше расстояния / между катодом и анодом. [21]
Очень важен вопрос о пределах применимости теории зондов и об искажениях, вносимых в зондовые характеристики различными факторами. При очень низком давлении плотность пространственных зарядов слишком мала, чтобы защитить поверхность зонда от непосредственного электростатического действия катода или анода. При увеличении давления газа теория перестает быть применимой, если длина свободного пути электрона становится соизмеримой с толщиной слоя пространственного заряда около вэнда. Внутри этого слоя начинают происходить не предусмотренные теорией неупругие соударения. Нельзя применять метод зондо-вых характеристик также и в случае слабых разрядных токов, так как в этом случае токи на зонд существенно нарушают режим разряда. Слишком большие размеры зонда вносят в исследуемый разряд искажения геометрического характера и также ведут к нежелательным перераспределениям тока между цепью разряда и цепью зонда. Значительные искажзния может внести эмиссия электронов из зонда. При снятии зондовых характеристик для больших сил разрядного тока сильный разогрев зонда может привести к термоэлектронной эмиссии с него, а также к понижению плотности газа около зонда. Эмиссия электронов из зонда может происходить под действием метастабильных атомов инертных газов, а также под действием генерируемого в разряде коротковолнового излучения. Искажение зондовых характеристик может происходить вследствие отражения электронов и ионов от зонда и вторичной электронной эмиссии. [22]
Было предпринято специальное исследование с целью получить оба типа дуги - с горячим и холодным катодом - при одном и том же материале последнего путем охлаждения катода изнутри проточной водой. Ширина того пространства, на котором сосредоточивается катодное падение потенциала в дуге, немногим отличается от длины свободного пути электрона. Катодное падение около 10 в дает в этом случае градиент потенциала у катода, достаточный для автоэлектронной эмиссии. [23]
Когда скорость электрона меньше скорости, соответствующей первому критическому потенциалу, столкновение его с атомом всегда упруго, за исключением тех случаев, когда медленно движущийся электрон, попав в сферу действия атома, не может из нее вырваться и образует вместе с атомом отрицательный ион. Если же скорость электрона больше первой критической скорости, то столкновение его с атомом может быть как неупругим, так и упругим: электрон отдает свою энергию атому не обязательно, а лишь в некотором и притом довольно небольшом числе случаев из всех столкновений. Относительное число этих благоприятных для возбуждения случаев, или вероятность возбуждения, определяют, подсчитав, с одной стороны, из длины свободного пути электрона в газе число столкновений электронов данного пучка с атомами газа, а с другой - по уменьшению силы электронного тока число электронов, выбывающих из пучка вследствие потери скорости при столкновении. Ионизация при этом не должна происходить, или же число актов ионизации должно быть учтено по току положительных ионов на соответствующий электрод. [24]
Когда скорость электрона меньше скорости, соответствуюшей первому критическому потенциалу, соударение его с атомом всегда упруго, за исключением тех случаев, когда медленно движущийся электрон, попав в сферу действия атома, образует вместе с атомом отрицательный ион. Если же скорость электрона больше первой критической скорости, то соударение его с атомом может быть как неупругим, так и упругим: электрон отдает свою энергию атому не обязательно, а лишь в некотором и притом довольно небольшом числе случаев из всех соударений. Относительное число этих благоприятных для возбуждения случаев, или вероятность возбуждения, определяют экспериментально, подсчитав, с одной стороны, из длины свободного пути электрона в газе число столкновений электронов данного пучка с атомами газа, а с другой - по уменьшению силы электронного тока-число электронов, выбы вающих из пучка вследствие потери скорости при соударении. [25]
Протекание химических реакций в разряде зависит не только от типа разряда ( дуговой, коронный, факельный, тлеющий, тихий), но и от ряда привходящих условий. Одним из этих условий, притом довольно существенным, является давление или, точнее, плотность газа. Повышение давления увеличивает число столкновений реагирующих частиц, а также число соударений частиц газа с электронами, но в то же время уменьшает величину подводимой к частице энергии вследствие одновременного уменьшения длины свободного пути электронов. В результате во многих случаях скорость реакции в значительной степени зависит от давления. В других случаях указанные выше факторы компенсируют друг друга, и скорость реакции лишь очень мало зависит от давления. [26]
Какие же процессы приводят к столь быстрому восстановлению статистического режима плазмы. Произведенная Ленгмюром оценка эффективности всевозможных элементарных процессов не привела к требуемому результату. Поэтому он высказал предположение, что быстрому восстановлению равновесного режима плазмы способствуют возникающие в плазме электрические колебания. Тогда Ленгмюр пришел к мысли [1572], что действующим механизмом здесь является взаимодействие электронов с микрополями плазмы, благодаря которому постоянно происходит изменение направления и скорости движения электрона. Длина свободного пути электрона в плазме становится очень малой, и электрон как бы претерпевает очень большое число столкновений. [27]
Вследствие своей малой скорости они при столкновениях не могут ионизировать атомов газа, и потому газ здесь не светится; образуется фарадеево темное пространство. Оно простирается до того места, где электроны, попав в более сильное поле, опять приобретают достаточную скорость, чтобы быть в состоянии ударами расщеплять атомы. Там начинается положительный световой столб. При столкновении с атомами отрицательные ионы задерживаются; поэтому у начала положительного светового столба происходит их накопление: газ заряжен отрицательно, что и видно по подъему кривой силы поля ( черт. Между этим отрицательным зарядом газа, с одной стороны, и анодом ( Л) - с другой, образуется то более или менее равномерное поле, которое поддерживает и равномерную ионизацию всего положительного светового столба. Это поле как раз настолько сильно, чтобы электроны на своем свободном пробеге от их освобождения до столкновения могли приобретать достаточную скорость для расщепления атомов ударом. При этом число возникающих в единицу времени ионов в каждой части пространства, занимаемого сплошным положительным свечением, равно числу самопроизвольно воссоединяющихся. Длина свободного пути электронов приблизительно обратно пропорциональна давлению. Поэтому сила поля в положительном - световом столбе при прочих равных условиях уменьшается вместе сх давлением газа. Кроме того она зависит еще от силы тока и от ширины трубки. В однородном положительном световом столбе области ионизации газа и области свободного пробега ионов вполне перемешаны, проникают одна другую. Но при некоторых еще недостаточно исследованных условиях области ионизации и области свободного пробега обособляются. Однородность столба нарушается, и положительное свечение разбивается на слои. Области ионизации, где происходит расщепление атомов и возникновение новых ионов, являются ярко светящимися чечевицами ( черт. Они разделены темными промежутками. Существование этих темных промежутков обычно объясняется тем, что возникающие в светлых слоях новые ионы вначале имеют лишь такие малые скорости, что они не в состоянии быть ионизаторами. Чтобы сделаться ударными, они, как объяснено выше, должны пробежать известный свободный путь под влиянием ускоряющей эл. Поэтому все электроны, освобожденные из своих атомов в одном поперечном сечении трубки ( светлом слое), достигнут ударных скоростей в другом сечении, находящемся от первого на расстоянии / средней длины свободного пути электрона при данных условиях. [28]