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Íåñàìîñòîÿòåëüíûé è ñàìîñòîÿòåëüíûé ðàçðÿäû. Ôèçèêà 10-11 êë.
ìîé ÞÒÓÁ êàíàë ïðèêîëüíûõ ÌÓËÜÒÈÊÎÂ!
ìîé ÒÅËÅÃÐÀÌ êàíàë ïðèêîëüíûõ ÌÓËÜÒÈÊÎÂ!

 


Ñîäåðæàíèå

 

Ãëàâíàÿ >> Ýëåêòðîäèíàìèêà. Ôèçèêà 10-11 êë. Ìÿêèøåâ

Ãëàâà 3. Ýëåêòðè÷åñêèé òîê â ðàçëè÷íûõ ñðåäàõ

 


§ 3.8. Íåñàìîñòîÿòåëüíûé è ñàìîñòîÿòåëüíûé ðàçðÿäû (îêîí÷àíèå)

ñòîëêíîâåíèÿ ýëåêòðîíà ñ àòîìîì

 ðåçóëüòàòå ñòîëêíîâåíèÿ ýëåêòðîíà ñ àòîìîì (ðèñ. 3.18) îáðàçóåòñÿ åùå îäèí ýëåêòðîí è ïîëîæèòåëüíûé èîí. Òàêèì îáðàçîì, âìåñòî îäíîé çàðÿæåííîé ÷àñòèöû ïîÿâëÿþòñÿ òðè — èîí è äâà ýëåêòðîíà. Ýòè ýëåêòðîíû, â ñâîþ î÷åðåäü, ïîëó÷àþò ýíåðãèþ â ïîëå è èîíèçóþò íîâûå àòîìû è ò. ä. Âñëåäñòâèå ýòîãî ÷èñëî çàðÿæåííûõ ÷àñòèö î÷åíü áûñòðî âîçðàñòàåò. Îïèñàííûé ïðîöåññ èìååò ñõîäñòâî ñ îáðàçîâàíèåì ñíåæíîé ëàâèíû â ãîðàõ è ïîýòîìó ïîëó÷èë íàçâàíèå ýëåêòðîííîé (èëè èîííîé) ëàâèíû.

Ëàâèíîîáðàçíîå íàðàñòàíèå ÷èñëà çàðÿæåííûõ ÷àñòèö â ãàçå ìîæåò íà÷àòüñÿ ïîä äåéñòâèåì ñèëüíîãî ýëåêòðè÷åñêîãî ïîëÿ, åñëè â ãàçå îêàæåòñÿ õîòÿ áû îäèí ýëåêòðîí. Èîíèçàòîð â ýòîì ñëó÷àå íå íóæåí. Òàê, íàïðèìåð, â îêðóæàþùåì íàñ âîçäóõå âñåãäà èìååòñÿ íåêîòîðîå ÷èñëî èîíîâ è ýëåêòðîíîâ, âîçíèêàþùèõ ïîä äåéñòâèåì ðàäèîàêòèâíûõ èçëó÷åíèé çåìíîé êîðû, óëüòðàôèîëåòîâîãî è ðåíòãåíîâñêîãî èçëó÷åíèé Ñîëíöà, à òàêæå äðóãèõ èçëó÷åíèé, ïðîíèêàþùèõ â çåìíóþ àòìîñôåðó èç êîñìè÷åñêîãî ïðîñòðàíñòâà.

Îáðàòèì âíèìàíèå íà òî, ÷òî ðîëü ýëåêòðîíîâ è èîíîâ â îáðàçîâàíèè ëàâèííîãî ðàçðÿäà â ãàçàõ íåîäèíàêîâà. Îñíîâíóþ ðîëü â óäàðíîé èîíèçàöèè èãðàþò ñâîáîäíûå ýëåêòðîíû.

Îáúÿñíèòü ýòî ìîæíî òàê. Ïîëîæèòåëüíûå èîíû, òàê æå êàê ýëåêòðîíû, äâèæóòñÿ â ïîëå ñ îäèíàêîâîé íàïðÿæåííîñòüþ, íî äëèíà ñâîáîäíîãî ïðîáåãà ýëåêòðîíîâ áîëüøå äëèíû ñâîáîäíîãî ïðîáåãà ïîëîæèòåëüíûõ èîíîâ. Ïîýòîìó êèíåòè÷åñêàÿ ýíåðãèÿ, ïðèîáðåòåííàÿ ýëåêòðîíîì, ñîãëàñíî ôîðìóëå (3.8.1), áîëüøå êèíåòè÷åñêîé ýíåðãèè ïîëîæèòåëüíîãî èîíà.

Îäíàêî áîëåå ñóùåñòâåííûì ÿâëÿåòñÿ òî, ÷òî èç-çà îäíîâðåìåííîãî âûïîëíåíèÿ çàêîíîâ ñîõðàíåíèÿ ýíåðãèè è èìïóëüñà ëèøü ÷àñòü êèíåòè÷åñêîé ýíåðãèè ïðè óäàðå ìîæåò ïðåâðàòèòüñÿ âî âíóòðåííþþ ýíåðãèþ. Îêàçûâàåòñÿ, ÷òî ÷åì ìåíüøå ìàññà èîíèçóþùåé ÷àñòèöû ïî ñðàâíåíèþ ñ ìàññîé ìîëåêóëû, òåì áîëüøàÿ ÷àñòü êèíåòè÷åñêîé ýíåðãèè ýòîé ÷àñòèöû ñìîæåò ïðåâðàòèòüñÿ âî âíóòðåííþþ è èçðàñõîäîâàòüñÿ íà èîíèçàöèþ. Ïîÿñíèì ýòî ïîäðîáíåå.

Ïóñòü èîíèçóþùàÿ ÷àñòèöà, ìàññà êîòîðîé m, èìåëà ïåðåä óäàðîì î ïîêîÿùóþñÿ ìîëåêóëó ìàññîé Ì ñêîðîñòü Òîãäà êèíåòè÷åñêàÿ ýíåðãèÿ ýòîé ÷àñòèöû ïåðåä óäàðîì ðàâíà:

Ïðåäïîëîæèì äëÿ ïðîñòîòû, ÷òî ñêîðîñòè èîíèçóþùåé ÷àñòèöû è ìîëåêóëû ïîñëå ñîóäàðåíèÿ ïðèìåðíî îäèíàêîâûå. Òîãäà, ñîãëàñíî çàêîíó ñîõðàíåíèÿ èìïóëüñà,

mυ1 = (m + M)υ2, (3.8.3)

ãäå υ2 — ñêîðîñòü ÷àñòèöû è ìîëåêóëû ïîñëå óäàðà.

Èçìåíåíèå âíóòðåííåé ýíåðãèè ΔU ðàâíî ïîòåðå êèíåòè÷åñêîé ýíåðãèè:

Âûðàçèâ υ2 èç ñîîòíîøåíèÿ (3.8.3) è ïîäñòàâèâ â óðàâíåíèå (3.8.4), ïîëó÷èì:

Ìàññà èîíà ðàâíà ìàññå ìîëåêóëû, ñëåäîâàòåëüíî, Ìàññà æå ýëåêòðîíà â íåñêîëüêî òûñÿ÷ ðàç ìåíüøå ìàññû ìîëåêóëû. Ïîýòîìó â âûðàæåíèè (3.8.5) îòíîøåíèå è ΔU - Wk1. Òàêèì îáðàçîì, êèíåòè÷åñêàÿ ýíåðãèÿ ïðè ñîóäàðåíèè ýëåêòðîíà ñ ìîëåêóëîé ïî÷òè ïîëíîñòüþ ìîæåò ïðåâðàòèòüñÿ âî âíóòðåííþþ, à ïðè ñîóäàðåíèè èîíà ñ ìîëåêóëîé — íàïîëîâèíó. Èòàê, äàæå ïðè îäèíàêîâîé êèíåòè÷åñêîé ýíåðãèè ýëåêòðîí â êà÷åñòâå èîíèçàòîðà îêàçûâàåòñÿ ýôôåêòèâíåå èîíà.

Íî èîíèçàöèÿ òîëüêî ýëåêòðîííûì óäàðîì íå ìîæåò îáåñïå÷èòü äëèòåëüíûé ñàìîñòîÿòåëüíûé ðàçðÿä. Äåéñòâèòåëüíî, âåäü âñå âîçíèêàþùèå òàêèì îáðàçîì ýëåêòðîíû äâèæóòñÿ ïî íàïðàâëåíèþ ê àíîäó è ïî äîñòèæåíèè àíîäà «âûáûâàþò èç èãðû». Äëÿ ïîääåðæàíèÿ ðàçðÿäà íåîáõîäèìà ýìèññèÿ ýëåêòðîíîâ ñ êàòîäà («ýìèññèÿ» îçíà÷àåò «èñïóñêàíèå»). Ýìèññèÿ ýëåêòðîíîâ ìîæåò áûòü îáóñëîâëåíà íåñêîëüêèìè ïðè÷èíàìè.

Ïîëîæèòåëüíûå èîíû, îáðàçîâàâøèåñÿ ïðè ñòîëêíîâåíèè ýëåêòðîíîâ ñ íåéòðàëüíûìè àòîìàìè, ïðè ñâîåì äâèæåíèè ê êàòîäó ïðèîáðåòàþò ïîä äåéñòâèåì ïîëÿ áîëüøóþ êèíåòè÷åñêóþ ýíåðãèþ. Ïðè óäàðàõ òàêèõ áûñòðûõ èîíîâ î êàòîä ñ ïîâåðõíîñòè êàòîäà âûáèâàþòñÿ ýëåêòðîíû.

Òåðìîýëåêòðîííàÿ ýìèññèÿ

Êàòîä ìîæåò èñïóñêàòü ýëåêòðîíû ïðè íàãðåâàíèè äî âûñîêîé òåìïåðàòóðû. Ýòîò ïðîöåññ íàçûâàåòñÿ òåðìîýëåêòðîííîé ýìèññèåé. Åãî ìîæíî ðàññìàòðèâàòü êàê èñïàðåíèå ýëåêòðîíîâ èç ìåòàëëà. Âî ìíîãèõ òâåðäûõ âåùåñòâàõ òåðìîýëåêòðîííàÿ ýìèññèÿ ïðîèñõîäèò ïðè òåìïåðàòóðàõ, ïðè êîòîðûõ èñïàðåíèå ñàìîãî âåùåñòâà åùå ìàëî. Òàêèå âåùåñòâà è èñïîëüçóþò äëÿ èçãîòîâëåíèÿ êàòîäîâ.

Ïðè ñàìîñòîÿòåëüíîì ðàçðÿäå íàãðåâ êàòîäà ìîæåò ïðîèñõîäèòü çà ñ÷åò áîìáàðäèðîâêè åãî ïîëîæèòåëüíûìè èîíàìè. Åñëè ýíåðãèÿ èîíîâ íå ñëèøêîì âåëèêà, òî âûáèâàíèÿ ýëåêòðîíîâ ñ êàòîäà íå ïðîèñõîäèò è ýëåêòðîíû èñïóñêàþòñÿ âñëåäñòâèå òåðìîýëåêòðîííîé ýìèññèè.

 ãàçàõ ïðè áîëüøèõ íàïðÿæåííîñòÿõ ýëåêòðè÷åñêèõ ïîëåé ýëåêòðîíû äîñòèãàþò òàêèõ áîëüøèõ ýíåðãèé, ÷òî íà÷èíàåòñÿ èîíèçàöèÿ ýëåêòðîííûì óäàðîì. Ðàçðÿä ñòàíîâèòñÿ ñàìîñòîÿòåëüíûì è ïðîäîëæàåòñÿ áåç âíåøíåãî èîíèçàòîðà.

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