Протекание электрического тока в газах обуславливается движением электронов и ионов. Можно создать условия, когда основная доля тока обеспечивается движением электронов.

При этом средняя скорость потока электронов будет определяться столкновениями с атомами или молекулами газа. Атомы газа могут находиться в состояниях с различными значениями энергии — в основном состоянии, когда энергия атома минимальна ($W_0$), и в одном из возбужденных состояний. Энергия возбужденного состояния может принимать только дискретные значения $W_n> W_0$, определяемые структурой данного атома.

Разность $$ \Delta W_{mn} = W_m - W_n $$ называют энергией перехода из состояния (или энергетического уровня) номер $m$ в состояние (на уровень) номер $n$. Величину $$ U_n = \frac{W_n - W_0}{e} $$ принято называть потенциалом возбуждения $n$–го уровня. При переходе на более высокий (с большей энергией) уровень атомы поглощают энергию, а на более низкий — отдают ее.

Переходы атомов на более высокий уровень могут происходить как в результате поглощения фотона (радиационные переходы), так и в результате столкновения с другими частицами (безизлучательные или релаксационные переходы).

Безизлучательные переходы в возбужденное состояние могут происходить, в частности, под действием электронного удара – столкновения движущихся свободных электронов с неподвижными атомами. При этом оказывается, что поглощение энергии электронов проходящих через газ существенно зависит от значения энергии электронов. Изучение этой зависимости является целью данной работы. Для этого используется схема на основе тиратрона заполненного инертным газом, приведенная на рисунке

Электроны, эмитируемые катодом тиратроном, приобретают под действием ускоряющего поля в пространстве катод — сетка кинетическую энергию $W_к = eU_{СК}$, где $U_{СК}$ — разность потенциалов сетка–катод. Сетка и анод тиратрона находятся почти под одинаковым потенциалом (разность потенциалов между сеткой и анодом $U_{СА} = R_1 I_e \ll U_{СК}$, где $I_e$ — ток электронов). В пространстве сетка — анод электроны испытывают многократные столкновения с атомами газа, заполняющего тиратрон.

Проследим за изменением анодного тока тиратрона по мере роста ускоряющего напряжения $U_{СК}$. Если энергия электронов меньше энергии возбуждения первого уровня атомов газа $(W_К < \Delta W_{10})$, происходят только упругие соударения. Так как масса электрона много меньше массы атома, электроны при этом изменяют направление скорости, сохраняя практически неизменной ее величину. Преодолев разность потенциалов $U_{СА}$, электроны попадают на анод.

Если энергия электрона равна энергии возбуждения какого-либо из уровней атома, удар происходит неупругий, так как часть кинетическая энергии расходуется на возбуждение атома. Электроны, претерпевшие соударение, теряют всю свою энергию и не могут преодолеть задерживающий потенциал анода. На вольт-амперной характеристике это выглядит, как уменьшение анодного тока с образованием провала, как изображено на рисунке Аналогично, провалы будут появляться при энергии электронов равной энергиям других уровней возбуждения.

Можно наблюдать провалы при напряжениях кратных второму потенциалу возбуждения атома, или при напряжении равных сумме первого и второго потенциалов возбуждения. Однако экспериментальная методика при этом должна быть видоизменена.

При неупругом соударении электронов с атомами газа может произойти не только возбуждение, но и ионизация атома.

Для реализации режима ионизации необходимо ускоряющий потенциал сетки увеличить до значения, соответствующий потенциалу ионизации атома. Тогда в процессе соударения появляются вторичные свободные электроны и положительно заряженные ионы. Двигаясь под действием поля к катоду, ионы нейтрализуют часть пространственного заряда. Вследствие этого термоэлектронный ток значительно увеличивается и происходит резкий рост анодного тока (участок AB на рисунке).

Таким образом, зависимость электронного тока от величины ускоряющего напряжения сетки дозволяет определить потенциалы возбуждения и ионизации атомов.

Измерение потенциалов возбуждения и ионизации также можно произвести на установке, схема которой изображена на рисунке

Ускоряющее напряжение в пространстве сетка — катод создает выпрямитель с цифровой установкой напряжения. Анод тиратрона находится под отрицательным напряжением относительно катода. Поэтому электроны не могут попасть на анод и собираются сеткой, сеточный ток измеряется миллиамперметром.

Возбужденные атомы, возвращаясь в основное состояние, излучают кванты света. Попадая на анод тиратрона, эти кванты вызывают фотоэффект, выбивая электроны. Фотоэлектронный ток анода (теперь этот электрод следовало бы называть фотокатодом) измеряется чувствительным гальванометром (предел измерения $0,1$ мкА) или цифровым наноамперметром. При достижении потенциала ионизации атомов газа положительные ионы нейтрализуют пространственный заряд электронов у катода, что приводит к резкому возрастанию тока сетки. Чтобы не испортить тиратрон или миллиамперметр в цепи сетки, нужно установить на источнике ускоряющего напряжения предельный ток $30 - 40$ мА. Таким образом, потенциалы возбуждения и ионизации четко фиксируются на зависимостях сеточного и анодного токов тиратрона от напряжения между сеткой и катодом: Погрешность их связана в основном с контактной разностью потенциалов между катодом и сеткой.

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