一、氣體原子的激發(fā)與游離

氣體原子在外界因素（電場、高溫等)的作用下，吸收外界能量使其內(nèi)部能量增加，這時(shí)氣休原子核外的電了將從離原子核較近的軌道跳到離原子核較遠(yuǎn)的軌道上去，此過程稱為原子的激發(fā)，也稱激勵(lì)。被激發(fā)的原子稱為激發(fā)原子，微發(fā)原子內(nèi)部的能量比正常原子大。原子的激發(fā)狀態(tài)是不穩(wěn)定狀態(tài)，一般經(jīng)過約10^-8s就會(huì)回復(fù)到正常狀態(tài)，激發(fā)原子回到正常狀態(tài)時(shí)將以短波光的形式放出能量。

如果中性原子由外界獲得足夠的能量，以致使原子中的一個(gè)或幾個(gè)電子脫離原子核的束縛而成為自由電子和正離子(即帶電質(zhì)點(diǎn))，此過程稱為原子的游離，也稱電離。游離是激發(fā)的極限狀態(tài)，氣體分子(或原子)游離所需要的能量稱為游離能，游離能隨氣體種類而不同，一般約在10～15eV之間。

分子或原子的游離可以一次完成，也可以分級(jí)完成，先經(jīng)過激發(fā)階段，然后再產(chǎn)生的游離稱為分級(jí)游離。分級(jí)游離時(shí)，一次需要獲得的能量較小，但幾次獲得的總能量應(yīng)大于或等于其游離能。

按照外界能量來源的不同，游離可以分為下列幾種不同的形式。

1.碰撞游離

處于電場中的帶電質(zhì)點(diǎn)，除了經(jīng)常地作不規(guī)測的熱運(yùn)動(dòng)，不斷地與其他質(zhì)點(diǎn)發(fā)生碰撞以外，還受著電場力的作用，沿電場方向不斷得到加速并積累動(dòng)能。當(dāng)具有的動(dòng)能積累到一定數(shù)值后，在其與氣體原子(或分子)發(fā)生碰撞時(shí)，可以使后者產(chǎn)生游離。由碰撞而引起的游離稱為碰撞游離。碰撞游離是氣體放電過程中產(chǎn)生帶電質(zhì)點(diǎn)的極重要來源。

電子、離子、中性質(zhì)點(diǎn)與中性原子（或分子)的碰撞以及激發(fā)原子與激發(fā)原子的碰撞都能產(chǎn)生游離。而在氣體放電過程中，碰撞游離主要是由自由電子與氣體原子(或分子)相撞而引起的，故電子在碰撞游離中起著極其重要的作用。通過碰撞，能使中性源了(或分子)發(fā)生游離的電子稱為有效電子。 離子或其他的質(zhì)點(diǎn)因其本身的體積和質(zhì)量較大，難以在碰撞前積累起足夠的能量，因而產(chǎn)生碰撞游離的可能性是很小的。

當(dāng)電子從電場獲得的動(dòng)能等于或大于氣體原子（或分子）的游離能時(shí)，就有可能因碰撞而使氣體原子(或分子)分裂成電子(或負(fù)離子)和正離了。即電子的動(dòng)能滿足如下條件時(shí)就有可能引起碰撞游離

式中  m——電子的質(zhì)量；

v——電子的運(yùn)動(dòng)速度；

W_i——氣體原子(或分子)的游離能。

質(zhì)點(diǎn)兩次碰撞之間的距離稱為自由行程。平均自由行程與氣體間的壓力成反比，與絕對(duì)溫度成正比。一般情況下，平均自由行程越大，越容易發(fā)生碰撞游離。

2.光游離

由光輻射引起氣體原子（或分子)的游離稱為光游離。

光輻射的能量以不連續(xù)的光子的形式發(fā)出。當(dāng)光子的能量等于或大于氣體原子(或分子)的游離能時(shí)，就可能引起光游離，即產(chǎn)生光游離的條件為

式中  h——普朗克常數(shù)，其值為6.62×10^-27erg·s；

v——光的頻率。

因?yàn)椴ㄩLλ=C/v， C為光速(3×10⁸m/s)。則式(1-2)說明，產(chǎn)生光游離的能力不決定于光的強(qiáng)度，而決定于光的波長，波長越短，光子的能量越大，游離能力就越強(qiáng)。通常可見光是不能直接產(chǎn)生光游離的，只有各種短波長的高能輻射線，例如宇宙線、γ線、X線以及短波長的紫外線等才有使氣體產(chǎn)生光游離的能力。在氣體放電過程中，當(dāng)處于激發(fā)狀態(tài)的原子回到正常狀態(tài)，以及異號(hào)帶電質(zhì)點(diǎn)復(fù)合成中性原子(或分子)時(shí)，都以光子的形式放出多余的能量，成為導(dǎo)致產(chǎn)生光游離的因素。光游離在氣體放電中起著很重要的作用。

由光游離產(chǎn)生的自由電子稱為光電子。

3.熱游離

氣體在熱狀態(tài)下引起的游離過程稱為熱游離。

在常溫下，由于氣體質(zhì)點(diǎn)的熱運(yùn)動(dòng)所具有的平均動(dòng)能遠(yuǎn)低于氣體的游離能，因此不可能產(chǎn)生熱游離。但在高溫下的氣體，例如發(fā)生電弧放電時(shí)，弧柱的溫度可高達(dá)數(shù)千度以上，這時(shí)氣體質(zhì)點(diǎn)的動(dòng)能就足以導(dǎo)致氣體分子(或原子)碰撞時(shí)產(chǎn)生游離。此外，高溫氣體的熱輻射也能導(dǎo)致氣體分子(或原子)產(chǎn)生光游離，故熱游離實(shí)質(zhì)上并不是另外一種獨(dú)立的游離形式，而是在熱狀態(tài)下產(chǎn)生碰撞游離和光游離的綜合。氣體分子(或原子)產(chǎn)生熱游離的條件是

式中K——波茨曼常數(shù)，其值為1.38×10^-16 erg/K；

T——絕對(duì)溫度，K。

4.表面游離

以上討論的是氣體介質(zhì)中電子和正離子的產(chǎn)生，但在氣體放電中存在著電流的循環(huán)，因此必然有陰極發(fā)射電子的過程，我們將電子從金屬電圾表面逸出來的過程稱為表面游離。電子從金屬電極表面釋放出來所需要的能量稱為逸出動(dòng)。逸出功的大小與金屬電極的材料及其表面狀態(tài)有關(guān)，一般需要1~5eV，小于氣體在空間游離時(shí)的游離能，這說明從陰極發(fā)射電子比在空間使氣體分子(或原子)游離容易。

用各種不同的方式供給金屬電極能量，例如將金屬電極加熱，正離子撞擊陰極、短波光照射電極以及強(qiáng)電場的作用等，都可以使陰極發(fā)射電子。

二、氣體中帶電質(zhì)點(diǎn)的消失

在氣體發(fā)生放電過程中，除了有不斷產(chǎn)生帶電質(zhì)點(diǎn)的游離過程外，還存在著導(dǎo)致帶電質(zhì)點(diǎn)從游離區(qū)域消尖，或者削弱的相反過程，通常稱為去游離過程，任何形式的放電過程總存在著帶電質(zhì)點(diǎn)的產(chǎn)生(游離)和帶電質(zhì)點(diǎn)的消失（去游離)過程。帶電質(zhì)點(diǎn)在電場作用下定向運(yùn)動(dòng)，消失于電極，帶電質(zhì)點(diǎn)的擴(kuò)散與復(fù)合以及電子的附著效應(yīng)都屬于去游離過程。當(dāng)導(dǎo)致氣體游離的因素消失以后，這些去游離過程可使氣體迅速恢復(fù)中性的絕緣狀態(tài)。

1.帶電質(zhì)點(diǎn)的擴(kuò)散

氣體中的帶電質(zhì)點(diǎn)經(jīng)常處于不規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)中，如果不同區(qū)域的帶電質(zhì)點(diǎn)存在著濃度差，則它們總是不斷地從高濃度區(qū)域向低濃度區(qū)域運(yùn)動(dòng)，使各處帶電質(zhì)點(diǎn)的濃度變得均勻，此現(xiàn)象稱為帶電質(zhì)點(diǎn)的擴(kuò)散。當(dāng)空氣間隙發(fā)生放電并去掉電源以后，放電通道中高濃度的帶電質(zhì)點(diǎn)迅速地向四周擴(kuò)散，使空氣間恢復(fù)原來的絕緣狀態(tài)。

氣體中帶電質(zhì)點(diǎn)的擴(kuò)散是熱運(yùn)動(dòng)造成的，故它與氣體的狀態(tài)有關(guān)。氣體的壓力越高或溫度越低，擴(kuò)散過程也就越弱。電子的質(zhì)量遠(yuǎn)小于離子，所以電子的熱運(yùn)動(dòng)速度很大，它在熱運(yùn)動(dòng)過程中所受到的碰撞機(jī)會(huì)也較少，因此，電子的擴(kuò)散作用比離子要強(qiáng)得多。

2.帶電質(zhì)點(diǎn)的復(fù)合

正離子與負(fù)離子或電子相遇，發(fā)生電荷的傳遞而互相中和，還原為中性分子或中性原子的過程稱為復(fù)合：復(fù)合可在氣體中進(jìn)行，也可在容器壁上發(fā)生。在帶電質(zhì)點(diǎn)的復(fù)合過程中會(huì)放出能量。異號(hào)帶電質(zhì)點(diǎn)的濃度愈大，復(fù)合也愈強(qiáng)烈，所以，強(qiáng)烈的游離區(qū)也總是強(qiáng)烈的復(fù)合區(qū)。

在帶電質(zhì)點(diǎn)的復(fù)合過程中會(huì)發(fā)生光輻射，這種光輻射在一定條件下又可能成為導(dǎo)致光游離的因素。

復(fù)合進(jìn)行的速度取決于帶電質(zhì)點(diǎn)的濃度，正、負(fù)帶電質(zhì)點(diǎn)的濃度越大，它們相遇的機(jī)會(huì)也越大，復(fù)合進(jìn)行得就越快。但并不是異號(hào)帶電質(zhì)點(diǎn)每次相遇都能引起復(fù)合。要能引起復(fù)合，參加復(fù)合的異號(hào)帶電質(zhì)點(diǎn)需相互接觸一定的時(shí)間，異號(hào)帶電質(zhì)點(diǎn)間的相對(duì)速度越大，相互作用的時(shí)間就越短，復(fù)合的可能性也就越小。氣體中電子的運(yùn)動(dòng)速度比離子要大得多，所以正、負(fù)離子間的復(fù)合要比正離子和電子間的復(fù)合容易發(fā)生得多。故在氣體放電過程中，述常以異性離子間的復(fù)合更為重要。

3.附著效應(yīng)

電子與氣體原子(或分子)碰撞時(shí)，不但有可能發(fā)生碰撞游離產(chǎn)生電子和正離子，也有可能發(fā)生電子的附著過程而形成負(fù)離子。與碰撞游離相反，電子的附著過程放出能量，使基態(tài)的氣體原子獲得一個(gè)電子形成負(fù)離子時(shí)所放出的能量稱為電子的親合能。電子親合能的大小可用來衡量原子捕獲一個(gè)電子的難易，電子的親合能越大，則越易形成負(fù)離子，鹵族元素的電子外層軌道中增添一個(gè)電子，則可形成像惰性氣體一樣穩(wěn)定的電子排布結(jié)構(gòu)，因而具有很大的親合能，所以，鹵族元素是很容易俘獲一個(gè)電子而形成負(fù)離子的。容易吸附電子形成負(fù)離子的氣體稱為電負(fù)性氣體。如氧、氯、氟、水蒸氣、六氟化硫等都屬于電負(fù)性氣體，惰性氣體和氮?jiǎng)t不會(huì)形成負(fù)離子。

如前所述，離子的游離能力不如電子。電子為原子或分子俘獲而形成質(zhì)量大、運(yùn)動(dòng)速度慢的負(fù)離子后，游離能力大減，因此，俘獲自由電子而成為負(fù)離子這一現(xiàn)象會(huì)對(duì)氣體放電的發(fā)展起抑制作用，有助于氣體絕緣強(qiáng)度的提高，這是值得注意并加以利用的。