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 < ∆ 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 Рис.3.3.2. 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.