Какие частицы вызывают ионизацию газа

Особенности процесса ионизации газа при сварочных работах

2725

+ Оглавление

Технология высоких напряжений и ионизация газа — взаимосвязанные процессы. Если рассматривать процесс с точки зрения природного явления, он происходит при разрядах молнии и ультрафиолетовом излучении, а в искусственном исполнении — при работе электродов (будь то сварка или электродуговой переплав металла) около высоковольтной ЛЭП. Чаще всего с этим явлением сталкиваются при сварных работах как обычной электросваркой, так и аргонодуговой.

Процесс ионизации газов, в зависимости от интенсивности, оказывает влияние на диэлектрические свойства защитной атмосферы и нередко ухудшает качество сварного соединения, поэтому стоит обратить на него особое внимание. Он аналогичен диссоциации электролита, реагирующего с растворителем, в результате чего освобождаются ионы. При ионизации этот же процесс активизируется либо при попадании в электрическое поле, либо при нагревании — это то, чем ионизация газов отличается от диссоциации электролитов.

Оба явления достаточно изучены, чтобы использовать их в бытовых целях, а также минимизировать оказываемое ими негативное влияние. В научной практике для контроля над атомными процессами используется ионизация газа, прибор же, основанный на этом принципе, называется детектором ионизации.

Особенности процесса

Важно! Если количество свободных электронов и катионов незначительно, а потенциал тока невысок, ионизация молекул газа не возникнет, и газ останется диэлектриком

Разберем подробнее, как происходит ионизация газа. По сути, каждый газ является диэлектриком (при нормальном давлении и температуре), поскольку заряд его молекулы нейтральный. Частицы находятся в постоянном хаотичном движении: ударяются друг о друга, отталкиваются, продолжая столкновение дальше. Чем больше концентрация молекул, тем чаще происходят столкновения (выше давление), но хаотичность от этого не меняется. И только при появлении электрического поля (направленное движение электронов) в перемещении заряженных частиц появляется направление. Каким образом?

Освежим курс химии и вспомним, какие частицы вызывают ионизацию газа. Молекула этого вещества рассматривается как электрический диполь. При попадании под «бомбардировку» электронами отдельные диполи распадаются, образуя положительно заряженные частицы — ионы (катионы, у которых недостает одного электрона) и свободный электрон. Первые движутся к катоду, вторые — к аноду, образуя электрический поток. При повышении напряженности количество «разорванных» молекул (диполей) будет увеличиваться в геометрической прогрессии, пока процесс станет не лавинообразным. И как результат — диэлектрик проводит электрический ток в газах — ионизация газов достигает своей апогейной фазы.

Читайте также: Свойства кислорода

Виды ионизации в газах

При постоянной подаче газа и тока, первый можно перевести в новое агрегатное состояние — плазму. Момент, когда происходит проход тока через газ, называется разрядом, по определению он может делиться на 4 типа:

• Дуговой — плазма представлена дугой. Возникает при более низком напряжении, высокой плотности тока, чем при тлеющем разряде. Источником столба являются электроны, подаваемые через электрод. Этот тип используется при сварочных работах.
• Тлеющий — явление можно наблюдать в специально созданных условиях разреженного газа. При определенном напряжении (невысоком, поскольку атмосфера разряжена) ток проходит сквозь плазму, что характеризуется появлением света. Цвет зависит от типа газа. Используется в светотехнике (неон).
• Искровой — аналог тлеющего разряда, но происходит в обычных условиях (при высоком напряжении). Разряд сопровождается треском. Этот тип используется в двигателях внутреннего сгорания.
• Коронный — назван по фигурной форме. Объясняется она возникновением разряда в поле с мощной, но неоднородной напряженностью. В результате образуется градиент: там, где напряженность больше — усиливается свечение. Применяется в оргтехнике, воздушных ионизаторах, производстве озона.

Поскольку этот процесс зависит от различных параметров, то он подразделяется на 2 вида ионизации в газах:

• Объемная — появление ионов непосредственно в самом газе. Образование частиц также имеет свой характер и подразделяется на 4 группы:

1. Ударная ионизация в газах — появление катодов в результате соударения нейтрального атома или молекулы электроном.
2. Ступенчатая — для «выбивания» частицы из нейтрального атома нужно действие второго электрона, поскольку первый приводит его лишь в возбужденное состояние.
3. Фотопроцесс ионизации запускают фотоны, но их мощность излучения должна быть больше мощности поглощения нейтральными атомами. Возможна ступенчатая ионизация.
4. Термическая ионизация газа — появляется в результате нагрева газа до очень высоких температур в момент, когда соударение атомов освобождает электроны.

• Поверхностная — излучение ионов поверхностью электрода, появляется за счет:

1. Бомбардировки катода катионами.
2. Фотоэмиссии — облучения катода лучистой энергией.
3. Термоэлектронной эмиссии — нагрева катода.
4. Электрического поля, подаваемого на катод.

Читайте также: Свойства аргона

Процесс изменения состояния газа инертен, он происходит в течение времени, на него влияют такие параметры, как напряжение, тип газа. Для расчета приращения тока за счет ионизации, а также последующего определения соотношения интенсивности и давления, используется такое понятие как коэффициент ионизации газов. Переход в состояние плазмы возможен, только если степень ионизации газа достигнет нужного предела (т. е. количество заряженных частиц будет превышать число общих).

Ионизация газа возникает под действием сторонних сил и зависит от объема газа и силы тока. Процесс отрыва электрона и его возврат называется ионизация и рекомбинация газов. Поскольку движение +/- ионов противоположно, наряду с разрушением, происходят восстановление диполей и возврат нейтрально заряженных частиц.

Применение в сварочных работах

Важно! При работе с аргонодуговой сваркой при подключении обратной полярности нельзя сильно нагревать аргон, поскольку осуществляется переход в состояние плазмы

Чтобы исключить появление нежелательной фазы, нужно знать, при каком условии происходит ионизация газа во время сварочных работ. Появляется она независимо от режимов, в которых проводятся работы, но большую опасность представляет для обратной полярности. Здесь мы имеем дело с ионизацией газа пламенем. Разогретый свыше 2400 °С газ начинает превращаться в плазму. Это агрегатное состояние меняет свои характеристики, превращая газ из защитной атмосферы в активную струю, используемую для резки металла. Энергия ионизации газов изменяется при регулировании температуры разогрева газа (как правило, используется аргон).

Заключение

Широкое применение получила ионизация газа: прибор для измерения, основанный на этом принципе, используется в современных телескопах, лазерных установках, приборах для подсчета атомных частиц — все это позволяет проводить сложнейшие опыты, изготавливать медицинское и другое оборудование. Потенциал ионизации газов еще полностью не раскрыт и проходит свою стадию изучения.

Какие частицы вызывают ионизацию газа

В обычном состоянии газы обладают низкой проводимостью, так как состоят из незаряженных частиц. Чтобы вызвать в газе электропроводность нужно создать и поддерживать в нем достаточную концентрацию заряженных частиц.

Отрыв электрона от атома или молекулы (ионизация) требует передачи электрону определенной энергии. Величина энергии ионизации зависит от строения атома или молекулы. Для появления электропроводности достаточно и появления отрицательных и положительных ионов (ионной диссоциации молекул). Но в результате столкновений положительно заряженных ионов с электронами или с отрицательно заряженными ионами возможна нейтрализация (рекомбинация) частиц ионизированного газа.

При рекомбинации энергия может уноситься излучением фотонов. То есть, для поддержания нужной концентрации заряженных частиц в газе требуется вкладывать в него энергию. Это может быть достигнуто

нагревом газа до высоких температур,
воздействием ионизирующего излучения или
протекание тока через газ.

В качестве ионизирующего излучения могут использоваться фотоны с энергией больше потенциала ионизации — ультрафиолетовое излучение и более коротковолновое. Также ионизация происходит при столкновении с газом заряженных частиц с кинетической энергией больше потенциала ионизации. Например, электрон с большой кинетической энергией, при соударении с нейтральным атомом выбивает из него один или несколько атомных электронов, в результате чего нейтральный атом превращается в положительно заряженный ион. Выбитые электроны при движении во внешнем электрическом поле могут сами давать вклад в электрический ток, а могут присоединиться к нейтральным атомам и вклад в электрический ток будут давать образовавшиеся отрицательные ионы.

При нагреве газа до больших температур (свыше десяти тысяч градусов) в газе появляются частицы (в соответствии с распределением Максвелла) имеющие кинетическую энергию достаточную, чтобы при столкновении произошла ионизация.

Во время движения заряженных частиц в электрическом поле происходит их ускорение, но одновременно они испытываю столкновения, в основном, с атомами газа. В результате заряженные частицы приобретают определенную среднюю скорость, которая пропорциональна электрическому полю и времени между столкновениями. $$v_ <\pm>= b_ <\pm>E , $$ где $b_<\pm>$ — подвижность заряженных частиц соответствующего знака заряда. Она равна средней скорости, приобретаемой заряженной частицей в электрическом поле единичной напряженности. Подвижность разного сорта ионов будет отличаться между собой и от подвижности электронов. Выражение $v_ <\pm>= b_ <\pm>E$ справедливо, если число столкновений достаточно велико, то есть длина свободного пробега заряженных частиц во много раз меньше расстояния между электродами. Это условие выполняется при давлении газа в несколько десятых мм рт. ст. В противоположном случае можно считать, что заряженные частицы движутся в вакууме с ускорением и влияние на них оказывает только объемный заряд ионов и поле между электродами.

Подвижность ионов определенного типа тем больше, чем меньше сила трения, испытываемая ими со стороны окружающих атомов или молекул. А сила трения пропорциональна частоте столкновений, которая пропорциональна давлению (концентрации частиц) газа. Поэтому в очень широком диапазоне давлений подвижность обратно пропорциональна давлению газа $p$. То есть: $$bp = const $$

Газ	Подвижность ионов $\fracм^2>$
$b_+$	$b_-$
Водород	5,91	8,26
Кислород	1,29	1,79
Азот	1,27	1,84
Окись углерода	1,1	1,14
Хлор	1,1	1,14

Значения подвижностей при комнатных условиях для некоторых газов приведены в таблице 3.1.

В газе, в отличие от металлов, заряженные частицы могут быть распределены неравномерно. Отличный от нуля градиент концентрации ионов приводит к потоку диффузии ионов с плотностью тока: $$ qD_i \frac,$$ Где $D_i$ — коэффициент диффузии ионов, $q$ — заряд иона.

Плотность тока ионов обусловленная приложенным электрическим полем равна: $qn_i b_i E$. Плотность тока данных ионов будет равна: $$ — qD_i \frac + qn_i b_i E $$ Полная плотность тока равна сумме плотностей токов всех ионов, находящихся в газе.

Локальные концентрации положительных и отрицательных ионов в газе могут отличаться друг от друга, что приводит к появлению объемного заряда. Объемный заряд, в свою очередь, приводит к дополнительному электрическому полю.

Существует еще одна очень важная особенность проводимости газов. Концентрация заряженных частиц может изменяться в процессе разряда в результате ионизации и рекомбинации и зависеть от напряженности электрического поля.

В свою очередь, протекание тока по газу может изменять свойства газа, такие как давление или температура. Более подробно эти явления рассмотрены в /4/. Указанные причины приводят к тому, что газовые проводники, как правило, не подчиняются закону Ома.

Рассмотрим начальную стадию появления проводимости газа. Если газовый промежуток находится в электрическом поле с небольшой напряженностью, его проводимость близка к нулю. Появление конечной проводимости называется пробоем газового промежутка. Основной причиной электрического пробоя газового промежутка является появление в нем заряженных частиц. Их источником может быть, например, эмиссия электронов с поверхности электродов, ионизация газа космическим излучением или искусственным ионизатором, молекулярные процессы. Эти первичные электроны, дрейфуя в электрическом поле, при достаточной величине напряженности, могут возбуждать и ионизовать атомы или молекулы среды, что приводит к размножению электронов и появлению в объеме ионов и фотонов. Ток в промежутке увеличивается. Образовавшиеся в промежутке ионы и фотоны достигают электродов, вызывая эмиссию вторичных электронов. Это может привести к развитию самостоятельного или несамостоятельного газового разряда. В развитии разряда определяющую роль играют электроны, так как они более легкие, по сравнению с ионами частицы, способны быстрее набирать энергию в электрическом поле и ионизовать газ в промежутке.

Назад к описанию лабораторных работ «Электрический ток в газах и жидкостях» или далее Несамостоятельный разряд

Ионизация

Иониза́ция, образование положительных и отрицательных ионов и свободных электронов из электрически нейтральных атомов и молекул. Положительные ионы образуются в результате отрыва электрона (или электронов) от атомов и молекул. В особых случаях нейтральные атомы и молекулы могут присоединять электроны и образовывать отрицательные ионы. Подвергаться ионизации могут и ионы, при этом повышается их кратность. Под ионизацией понимают как элементарный акт (ионизация атома, молекулы), так и совокупность множества таких актов (ионизация газа, жидкости). Ионизация может происходить при столкновениях частиц (столкновительная, или ударная, ионизация), под действием электромагнитного излучения (фотоионизация), под действием электрического поля ( ионизация полем ). Ионизация, происходящая при взаимодействии излучения или частиц внутри вещества (среды), называется объёмной, на поверхности твёрдого тела или жидкости – поверхностной ионизацией . Положительные и отрицательные ионы образуются также при электролитической диссоциации .

Атомы и молекулы, имеющие много электронов, в результате одного акта ионизации или при последовательных актах ионизации могут оказаться в разных ионизованных состояниях, характеризуемых кратностью ионизации. Состояние ионизации указывается либо величиной и знаком заряда (например, O + , O 3 + , F e + 24 , H 2 O − ,\, H_2O^-> O + , O 3 + ​ , F e + 24 , H 2 ​ O − ), либо, в случае положительно заряженных ионов, в виде спектроскопического символа (например, для приведённых выше ионов кислорода и железа: O I I , O I V , F e X X V O II , O I V , F e XX V ). Здесь римской цифрой указывается число, на единицу большее заряда иона. Цифра I I соответствует нейтральному атому. Атомы могут быть ионизованы до ядер. Молекулы не бывают сильно заряженными, т. к. они становятся неустойчивыми и распадаются (диссоциируют). Максимально возможный отрицательный заряд иона определяется сродством к электрону и не превышает трёх электронных зарядов (см. Отрицательные ионы ).

При определённой концентрации заряженных частиц ионизованный газ превращается в плазму, которая резко отличается по своим свойствам от газа нейтральных частиц. Процессом, обратным ионизации, является рекомбинация ионов и электронов – образование из них нейтральных атомов и молекул. Процессы ионизации и рекомбинации играют важную роль во всех электрических разрядах в газах и в различных газоразрядных приборах.

Столкновительная (ударная) ионизация

Важнейшим механизмом ионизации в газах и плазме является ионизация при столкновении (ударе) свободного электрона с невозбуждёнными или возбуждёнными атомами или молекулами. Для отрыва электрона из атома, находящегося в основном состоянии, требуется затратить энергию ионизации , равную энергии связи . Энергия связи основного уровня колеблется от минимальной энергии 3,89 эВ для цезия до максимальной 24,59 эВ для гелия. Свободный электрон, обладающий энергией большей (или равной) энергии связи, при столкновении с атомом (молекулой) выбивает из него (неё) один электрон, и образуется однозарядный положительный ион. Минимальное значение кинетической энергии ионизующего электрона называется порогом ионизации. Элементарный акт ионизации частицей (или фотоном) характеризуется эффективным сечением ионизации. Величина сечения растёт от нуля при пороговой энергии до определённого максимального значения и затем плавно уменьшается с увеличением энергии. В случае ударной ионизации сечение максимально при отрыве внешних валентных электронов и малó для внутренних электронов. Если свободный электрон обладает кинетической энергией, достаточной, чтобы оторвать от атома 2 электрона или более, то происходит двухэлектронная или многоэлектронная ионизация. Сечение ионизации таких процессов значительно меньше, чем сечение одноэлектронной ионизации.

Если энергия налетающего электрона меньше порога ионизации, то атом может перейти в возбуждённое состояние, а ионизоваться – при следующем столкновении с другим электроном. Такая ионизация называется ступенчатой. Ионизация газа обычно осуществляется в нескольких последовательных столкновениях (многоступенчатая ионизация). Она возможна, если столкновения происходят так часто, что частица в промежутке между двумя соударениями не успевает потерять энергию, полученную в предыдущем столкновении (достаточно плотные газы, высокоинтенсивные потоки бомбардирующих частиц и излучения). Многоступенчатая ионизация существенна, когда частицы ионизуемого вещества обладают метастабильным состоянием , т. е. способны относительно долгое время сохранять энергию возбуждения. При быстром росте числа носителей зарядов, когда возникает достаточно высокая степень ионизации среды, происходит электрический пробой, среда становится проводящей, происходит резкое уменьшение сопротивления среды. (Отношение числа ионов к числу нейтральных частиц в единице объёма называется степенью ионизации.)

При столкновениях атомов и ионов с атомами может происходить ионизация не только бомбардируемых, но и бомбардирующих частиц. Налетающие нейтральные атомы, теряя электроны, превращаются в ионы, а у налетающих ионов увеличивается заряд. Такой процесс называется «обдиркой» пучка частиц.

Термическая ионизация

Ионизация может вызываться не только частицами, налетающими извне. При достаточно высокой температуре, когда энергия теплового движения атомов (молекул) велика, они могут ионизовать друг друга при взаимных столкновениях – происходит термическая ионизация. Значительной интенсивности она достигает при температурах 10 3 –10 4 К, например в пламени, в дуговом разряде, в ударных волнах, в звёздных атмосферах. Степень термической ионизации газа как функцию его температуры и давления для термодинамически равновесной среды можно оценить формулой Саха , согласно которой степень ионизации любого атома растёт с увеличением температуры и уменьшается с ростом концентрации электронов. В достаточно разреженной горячей среде (например, в солнечной короне) степень ионизации газа определяется рождением зарядов за счёт ионизации электронами и гибелью зарядов в результате радиационной и диэлектронной рекомбинаций. В этих условиях степень ионизации среды зависит только от её температуры, но не зависит от плотности среды, поскольку скорости ионизации и рекомбинации одинаково (пропорционально) зависят от концентрации электронов.

Фотоионизация

В этом случае энергия ионизующего фотона h ν hν h ν должна быть не меньше энергии ионизации ( h h h – постоянная Планка, ν ν ν – частота излучения). Для всех атомов и молекул газов и жидкостей этому условию удовлетворяют лишь фотоны ультрафиолетового и более коротковолнового излучения. Фотоионизация играет существенную роль, например, в процессах ионизации верхних слоёв атмосферы (ионосферы), в образовании стримеров при электрическом пробое газа и т. д. Фотоны больших энергий (рентгеновские и γ γ γ -кванты) могут эффективно вырывать электроны не только с внешних, но и с внутренних электронных оболочек атомов.

Ионизация лазерным излучением

Обычно частота лазерного излучения недостаточна для того, чтобы поглощение одного фотона вызвало ионизацию. Однако чрезвычайно высокая плотность потока фотонов в лазерном пучке делает возможной ионизацию, обусловленную одновременным поглощением нескольких фотонов ( многофотонная ионизация ). Например, в разреженных пара́х щелочных металлов наблюдалась ионизация с поглощением 7–9 фотонов. В плотных газах ионизация лазерным излучением не очень большой интенсивности происходит комбинированным образом. Сначала многофотонная ионизация освобождает «затравочные» электроны. От них начинается лавинная ионизация. Разгоняясь полем световой волны, электроны ударно возбуждают атомы, которые затем ионизуются светом, но с поглощением меньшего числа фотонов.

Ионизация в твёрдом теле

Это явление представляет собой процесс перехода электронов из валентной зоны кристалла в зону проводимости , в результате чего атомы твёрдого тела превращаются в ионы. В случае примесных атомов ионизация происходит при потере или захвате ими электронов. Энергия ионизации в твёрдом теле имеет величину порядка ширины запрещённой зоны . В кристаллах с узкой запрещённой зоной электроны могут приобретать энергию за счёт энергии тепловых колебаний атомов (термическая ионизация). Если сообщаемой электронам энергии при поглощении твёрдым телом фотонов достаточно для ионизации, возможна фотоионизация. Ионизация происходит также, когда через тело проходит поток заряженных (электроны, протоны) или нейтральных (нейтроны) частиц. Самостоятельный интерес представляет также ударная ионизация в сильном электрическом поле, наложенном на твёрдое тело. В таком поле участвующие в электропроводности электроны в зоне проводимости могут приобрести достаточную кинетическую энергию, чтобы выбить электроны из валентной зоны, где они не участвуют в электропроводности. При этом в валентной зоне образуются дырки , а в зоне проводимости вместо каждого «быстрого» электрона появляются два «медленных», которые, ускоряясь в поле, могут, в свою очередь, стать «быстрыми» и вызвать ионизацию. Вероятность ударной ионизации возрастает с ростом напряжённости электрического поля. При некоторой критической напряжённости ударная ионизация приводит к резкому увеличению плотности тока, т. е. к электрическому пробою твёрдого тела.

Опубликовано 6 июня 2023 г. в 17:59 (GMT+3). Последнее обновление 6 июня 2023 г. в 17:59 (GMT+3). Связаться с редакцией

Ионизация

Ионизация — процесс образования ионов из нейтральных атомов или молекул, идущий с поглощением теплоты.

Положительные ионы образуются в результате отрыва электрона (или электронов) от атомов и молекул.
В особых случаях нейтральные атомы и молекулы могут присоединять электроны и образовывать отрицательные ионы.
Подвергаться ионизации могут и ионы, при этом повышается их кратность.

Под ионизацией понимают как элементарный акт (ионизация атома, молекулы), так и совокупность множества таких актов (ионизация газа, жидкости).
Ионизация может происходить при столкновениях частиц (столкновительная, или ударная, ионизация), под действием электромагнитного излучения (фотоионизация), под действием электрического поля (ионизация полем).
Ионизация, происходящая при взаимодействии излучения или частиц внутри вещества (среды), называется объемной, на поверхности твердого тела или жидкости – поверхностной ионизацией.
Положительные и отрицательные ионы образуются также при электролитической диссоциации.