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。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就會回復(fù)到正常狀態(tài)，激發(fā)原子回到正常狀態(tài)時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或幾個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，也可以分級完成，先經(jīng)過激發(fā)階段，然后再產(chǎn)生的游離稱為分級游離。分級游離時，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，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能。當(dāng)具有的動能積累到一定數(shù)值后，在其與氣體原子(或分子)發(fā)生碰撞時，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能等于或大于氣體原子（或分子）的游離能時，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。即電子的動能滿足如下條件時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，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。

因為波長λ=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)，以及異號帶電質(zhì)點(diǎn)復(fù)合成中性原子(或分子)時，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)動所具有的平均動能遠(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，弧柱的溫度可高達(dá)數(shù)千度以上，這時氣體質(zhì)點(diǎn)的動能就足以導(dǎo)致氣體分子(或原子)碰撞時產(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。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，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，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)動速度很大，它在熱運(yùn)動過程中所受到的碰撞機(jī)會也較少，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)合過程中會放出能量。異號帶電質(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)會也越大，復(fù)合進(jìn)行得就越快。但并不是異號帶電質(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)合的異號帶電質(zhì)點(diǎn)需相互接觸一定的時間，異號帶電質(zhì)點(diǎn)間的相對速度越大，相互作用的時間就越短，復(fù)合的可能性也就越小。氣體中電子的運(yùn)動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，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電子形成負(fù)離子時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，惰性氣體和氮則不會形成負(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)象會對氣體放電的發(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。