气体的游离

（一）气体原子的激发与游离

气体原子在电场、高温和其他粒子碰撞等作用下，吸收能量使内能增加，原子核外的电子将从离原子核较近的轨道跳到离原子核较远的轨道上去，此过程称为原子的激发，也称激励。被激发的原子称为激发原子，激发原子内部的能量比正常原子大。原子的激发状态是不稳定状态，一般经过约10-8　s就会回复到正常状态，激发原子回到正常状态时将以短波光的形式放出能量。

中性原子从外界获得足够的能量，以致使原子中的一个或几个电子完全脱离原子核的束缚而成为自由电子和正离子（即带电质点），此过程称为原子的游离，也称电离。游离是激发的极限状态，气体分子（或原子）游离所需要的能量称为游离能，游离能随气体种类而不同，一般在10～15 eV。

分子或原子的游离可以一次完成，也可以分级完成，先经过激发阶段，然后再产生的游离，称为分级游离。分级游离时，一次需要获得的能量较小，但几次获得的总能量应大于或等于其游离能。

按照外界能量来源的不同，游离可以分为下列不同的形式：

1.碰撞游离

处于电场中的带电质点，除了经常地作不规则的热运动，不断地与其他质点发生碰撞以外，还受着电场力的作用，沿电场方向不断得到加速并积累动能。当具有的动能积累到一定数值后，在其与气体原子（或分子）发生碰撞时，可以使后者产生游离。由碰撞而引起的游离称为碰撞游离。碰撞游离是气体放电过程中产生带电质点的极重要来源。

电子、离子、中性质点与中性原子（或分子）的碰撞以及激发原子间的碰撞都能产生游离。而在气体放电过程中，碰撞游离主要是由自由电子与气体原子（或分子）相撞而引起的，故电子在碰撞游离中起着极其重要的作用。通过碰撞，能使中性原子（或分子）发生游离的电子称为有效电子。离子或其他的质点因其本身的体积和质量较大，难以在碰撞前积累到足够的能量，因而产生碰撞游离的可能性是很小的。

当电子从电场获得的动能等于或大于气体原子（或分子）的游离能时，就有可能因碰撞而使气体原子（或分子）分裂成电子（或负离子）和正离子，即电子的动能满足如下条件时就有可能引起碰撞游离：

（1-13）

式中　m——电子的质量；

　　　v——电子的运动速度；

　　　Wi——气体原子（或分子）的游离能。

质点两次碰撞之间的距离称为自由行程。大量质点相互碰撞的平均自由行程与气体间的压力成反比，与绝对温度成正比。一般情况下，平均自由行程越大，越容易发生碰撞游离。

2.光游离

由光辐射引起气体原子（或分子）的游离称为光游离。光辐射的能量以不连续的光子的形式发出。当光子的能量等于或大于气体原子（或分、离子）的游离能时，就可能引起光游离，即产生光游离的条件为

hv≥ Wi

（1-14）

式中　h——普朗克常数，其值为6.62×10-27　J·s；

　　　v——光的频率。

因为波长λ=c/v ，C为光速（3 × 108m/s），说明产生光游离的能力不决定于光的强度，而决定于光的波长，波长越短，光子的能量越大，游离能力就越强。通常可见光是不能直接产生光游离的，只有各种短波长的高能辐射线，例如宇宙射线、 γ射线、x射线以及短波长的紫外线等才有使气体产生光游离的能力。在气体放电过程中，当处于激发状态的原子回到正常状态，以及异号带电质点复合成中性原子（或分子）时，都以光子的形式放出多余的能量，成为导致产生光游离的因素。光游离在气体放电中起着很重要的作用。

3.热游离

气体在热状态下引起的游离过程称为热游离。在常温下， 由于气体质点的热运动所具有的平均动能远低于气体的游离能，因此不可能产生热游离。但在高温下的气体，例如发生电弧放电时，弧柱的温度可高达数千度以上，这时气体质点的动能就足以使得气体分子（或原子）碰撞时产生游离。此外，高温气体的热辐射也能导致气体分子（或原子）产生光游离。故热游离实质上并不是另外一种独立的游离形式，而是在热状态下碰撞游离和光游离的综合。气体分子（或原子）产生热游离的条件是

（1-15）

式中　K——玻尔兹曼常数，其值为1.38 × 10-16　J/K；

　　　T——绝对温度，K。

4.表面游离

以上讨论的是气体介质中电子和正离子的产生，但在气体放电中存在着电流的循环，因此必然有阴极发射电子的过程，电子从金属电极表面逸出来的过程称为表面游离。电子从金属电极表面释放出来所需要的能量称为逸出功。逸出功的大小与金属电极的材料及其表面状态有关，一般需要1～5 eV，小于气体在空间游离时的游离能，这说明从阴极发射电子比在空间使气体分子（或原子）游离容易。用各种不同的方式供给金属电极能量，例如，将金属电极加热、正离子撞击阴极、短波光照射电极以及强电场的作用等，都可以使阴极发射电子。

（二）气体中的去游离过程

在气体发生放电过程中，除了有不断产生带电质点的游离过程外，还存在着导致带电质点从游离区域消失，或者游离削弱的相反过程，通常称为去游离过程。任何形式的放电过程总存在着带电质点的产生（游离）和带电质点的消失（去游离）过程。带电质点在电场作用下定向运动，消失于电极，带电质点的扩散与复合以及电子的附着效应都属于去游离过程。当导致气体游离的因素消失以后，这些去游离过程可使气体迅速恢复中性的绝缘状态。

1.带电质点的扩散

气体中带电质点经常处于不规则的热运动中，如果不同区域的带电质点存在着浓度差，则它们总是不断地从高浓度区域向低浓度区域运动，使各处带电质点的浓度变得均匀，此现象称为带电质点的扩散。当空气间隙中发生放电以后去掉电源，放电通道中高浓度的带电质点迅速地向四周扩散，使空气间隙恢复原来的绝缘状态。

气体中带电质点的扩散是热运动造成的，故它与气体的状态有关。气体的压力越高或温度越低，扩散过程也就越弱。电子的质量远小于离子，所以电子的热运动速度很大，它在热运动过程中的碰撞机会也较少，因此，电子的扩散作用比离子要强得多。

2.带电质点的复合

正离子与负离子或电子相遇，发生电荷的传递而互相中和，还原为中性分子或中性原子的过程称为复合。复合可在气体中进行，也可在容器壁上发生。在带电质点的复合过程中会放出能量。异号带电质点的浓度愈大，复合也愈强烈，所以，强烈的游离区也总是强烈的复合区。

在带电质点的复合过程中会发生光辐射，这种光辐射在一定条件下又可能成为导致光游离的因素。复合进行的速度取决于带电质点的浓度，正、负带电质点的浓度越大，它们相遇的机会也越大，复合进行得就越快。但并不是异号带电质点每次相遇都能引起复合。要能引起复合，参加复合的异号带电质点需相互接触一定的时间，异号带电质点间的相对速度越大，相互作用的时间就越短，复合的可能性也就越小。气体中电子的运动速度比离子要大得多，所以正、负离子间的复合要比正离子和电子间的复合容易发生得多。故在气体放电过程中，通常以异性离子间的复合更为重要。

3.附着效应

电子与气体原子（或分子）碰撞时，不但有可能发生碰撞游离产生电子和正离子，也有可能发生电子的附着过程而形成负离子。与碰撞游离相反，电子的附着过程放出能量。使基态的气体原子获得一个电子形成负离子时所放出的能量称为电子的亲合能。电子亲合能的大小可用来衡量原子捕获一个电子的难易，电子的亲合能越大，则越易形成负离子。卤族元素的电子外层轨道中增添一个电子，则可形成像惰性气体一样稳定的电子排布结构，因而具有很大的亲合能，所以，卤族元素很容易俘获一个电子而形成负离子。容易吸附电子形成负离子的气体称为电负性气体，如氧气、氯气、氟气、水蒸气、六氟化硫等都属于电负性气体，惰性气体和氮则不会形成负离子。

如前所述，离子的游离能力不如电子。电子为原子或分子俘获而形成质量大、运动速度慢的负离子后，游离能力大减，因此，俘获自由电子而成为负离子这一现象会对气体放电的发展起抑制作用，有助于气体绝缘强度的提高，这是值得注意和利用的。