§ 87. Процессы, приводящие к появлению носителей тока при самостоятельном разряде

Носители тока — электроны и ионы — могут возни­кать при самостоятельном разряде за счет различных процессов, некоторые из которых мы рассмотрим прежде, чем перейти к описанию отдельных видов разряда.

Столкновения электронов с молекулами. Столкнове­ния электронов (а также ионов) с молекулами могут иметь упругий и неупругий характер. Молекула, как и атом, может находиться в дискретных энергетических состояниях. Состояние с наименьшей энергией называется основным. Для того чтобы перевести молекулу из основ­ного в различные возбужденные состояния, требуются определенные значения энергии Wu W2 и т. д. Сообщив молекуле достаточно большую энергию можно вы­звать ее ионизацию.

Перейдя в возбужденное состояние, молекула обычно пребывает в нем всего лишь 1G"8 сек, после чего перехо­дит снова в основное состояние, излучая избыток энер­гии в виде кванта света — фотона. В некоторых так на­зываемых адетастабильных состояниях молекула может находиться значительно дольше — примерно Ю-3 сек.

При соударении частиц должны выполняться законы сохранения энергии и импульса. Поэтому на передачу энергии при ударе накладываются определенные огра­ничения— не вся энергия, которой обладает ударяющая частица, может быть передана другой частице.

Если при столкновении молекуле не может быть сооб­щена энергия, достаточная для ее возбуждения, суммар­ная кинетическая энергия частиц остается без изменений и удар будет упругим. Пусть частица массы /п., имею­щая скорость Vio, ударяется о неподвижную (v2o — 0) ча­стицу массы т2. При центральном ударе должны выпол­няться условия

где V\ и у2 — скорости частиц после удара,

Решая эту систему уравнений относительно неизвест­ных у, и v2 (см. т. I, § 30), получим

Таким образом, для энергии, которая передается при упругом ударе второй частице, получается выражение

Если Ш\ «С ГП2, это выражение можно приближенно записать следующим образом:

где W\0 — энергия ударяющейся частицы перед ударом.

Из формулы (87.1) следует, что легкая частица (элек­трон), ударяясь упруго о тяжелую частицу (молекулу), сообщает ей лишь малую долю своего запаса энергии

Легкая частица «отскакивает» от тяжелой,

подобно мячу От стенки, с практически не изменяющейся по величине скоростью. Как показывает соответствую­щий расчет, при нецентральном ударе доля переданной энергии оказывается еще меньше.

При достаточно большой энергии ударяющей частицы (электрона или иона) молекула может быть возбуждена или ионизирована. В этом случае суммарная кинетиче­ская энергия частиц не сохраняется — часть энергии затрачивается на возбуждение или ионизацию, т. е. на увеличение внутренней энергии соударяющихся частиц. Такие соударения называются неупругими столк­новениями первого р од а.

Молекула, находящаяся в возбужденном состоянии, при столкновении с другой частицей (электроном, ионом или нейтральной молекулой) может перейти в основное состояние, не излучая избыток энергии, а передав его электрону. В этом случае суммарная кинетическая энер­гия частиц после удара будет больше, чем до удара. Та­кие соударения называются неупругими столкно­вениями второго рода. Переход молекул из мета-стабильного состояния в основное возможен только за счет столкновений второго рода.

При неупругом столкновении первого рода уравнения сохранения энергии и импульса имеют вид

где AWBH — увеличение внутренней энергии молекулы, соответствующее ее переходу в возбужденное состояние. Исключив Vi из уравнений (87.2), можно получить

При одной и той же скорости ударяющейся частицы (vio) приращение внутренней энергии молекулы Л№Вн зависит от скорости v2, с которой молекула движется после удара. Чтобы найти наибольшее возможное значе­ние А№вн, продифференцируем функцию (87.3) по v2 и приравняем получившееся выражение нулю:

Отсюда Подставляя найденное значе-

ние v2 в формулу (87.3), находим, что

Если ударяющая частица значительно легче ударяе-

-С 1J, множитель при —^— в выражении (87.4)

близок к единице. Таким образом, при ударе легкой ча­стицы (электрона) о тяжелую (молекулу) почти вся энергия ударяющей частицы может быть затрачена на возбуждение или ионизацию ') молекулы.

Однако даже если энергия ударяющей частицы — электрона — достаточно велика, соударение не обя­зательно приводит к возбуждению или ионизации

молекулы. Имеется определенная вероятность обоих этих процессов, которая зависит от скорости, т. е. энергии электрона. На рис. 187 показан примерный ход этих ве­роятностей. Чем быстрее летит электрон, тем меньший промежуток времени взаимодействует он с молекулой, пролетая вблизи нее. Поэтому обе вероятности быстро достигают максимума, а затем с увеличением энергии электрона убывают. Как видно из рисунка, электрон,

имеющий, например, энергию W, с большей вероятностью будет вызы­вать ионизацию молеку­лы, чем ее возбуждение.

Вторичная электрон­ная эмиссия. Вторичной электронной эмиссией на­зывается испускание элек­тронов поверхностью твер­дого или жидкого тела при бомбардировке ее электронами или ионами. Отношение числа вторич­ных электронов N2 к числу Nt частиц, вызвавших эмис­сию, называется коэффициентом вторичной эмиссии

Коэффициент вторичной эмиссии зависит от природы поверхности и бомбардирующих ее частиц, а также от энергии этих частиц. Скорость вторичных электронов не­велика и от энергии первичных частиц не зависит.

В случае бомбардировки поверхности металлов элек­тронами коэффициент вторичной эмиссии достигает мак­симума при энергии первичных электронов порядка не­скольких сотен электронвольт (от 200 до 800 эв для раз­личных металлов). Наибольшие значения коэффициента бтах заключены в пределах от 0,5 (для бериллия) до 1,8 (для платины). Для полупроводников бтах может дости­гать гораздо больших значений (порядка 10). Таким об­разом, вторичную эмиссию от соответствующим образом подобранной поверхности можно использовать для «умно­жения» количества электронов в пучке. В электронных умножителях, предложенных впервые Л. А. Кубец-

ким, вторичные электроны, испущенные каждым из- по­следовательно расположенных электродов, ускоряются электрическим полем и бомбардируют следующий элек­трод. С помощью таких приборов достигается усиление электронных пучков в сотни раз.

Автоэлектронная эмиссия. Если вблизи поверхности металла создать электрическое поле очень большой на* пряженности (

106 в/см), наблюдается испускание элек« тронов, называемое автоэлектронной (или хо< лодной) эмиссией. Это явление иногда называют также вырыванием элек­тронов электрическим по­лем. Автоэлектронная эмис­сия была объяснена кванто­вой теорией. При наличии сильного поля препятствую­щий выходу электронов по­тенциальный барьер на по­верхности металла выглядит так, как показано на рис. 188.

Согласно квантовой механике имеется отличная от нуля вероятность того, что элементарная частица пройдет че­рез потенциальный барьер даже в том случае, когда ее энергия меньше, чем высота барьера. Частица Как бы проходит через туннель в барьере, в связи с чем это яв­ление называют туннельным эффектом. Вероят­ность туннельного эффекта растет с уменьшением ши­рины барьера. Поэтому автоэлектронная эмиссия наблю­дается лишь в очень сильных полях.

Фотоионизация. Электромагнитное излучение («свет») состоит из элементарных частиц — фотонов. Энергия фотона равна hv, где h постоянная Планка, v — часто­та излучения. Фотон может быть поглощен молекулой (см. сноску на стр. 306), причем его энергия идет на воз­буждение или ионизацию. В этом случае ионизация мо­лекулы называется фотоионизацией. Непосред­ственную (прямую) фотоионизацию способно вызвать ультрафиолетовое излучение. ВидиМое излучение (обла­дающее меньшей частотой) может обусловить так назы­ваемую ступенчатую фотоионизацию. Энергия фотона видимого света недостаточна для отщепления электрона от молекулы. Однако ее хватает для того, чтобы

перевести молекулу в одно из возбужденных состояний. Для ионизации молекулы, находящейся в возбужденном состоянии, требуется меньше энергии, чем для иониза­ции молекулы в нормальном состоянии. Поэтому иони­зация молекулы, возбужденной фотоном, может быть до­стигнута за счет ее соударения с другой молекулой.

В газовом разряде возможно возникновение коротко­волнового излучения, способного вызвать прямую фото­ионизацию. Достаточно быстрый электрон может при ударе не только ионизировать молекулу, но и перевести образовавшийся ион в возбужденное состояние. Переход иона в основное состояние сопровождается испусканием излучения меньшей длины волны (т. е. большей часто­ты), чем у излучения нейтральной молекулы. Энергия фотонов такого излучения достаточна для непосредствен­ной фотоионизации.

Кроме перечисленных процессов, в некоторых видах самостоятельного газового разряда играет большую роль явление термоэлектронной эмиссии, рассмотренное в § 75. Имеет место также фотоэлектронная эмис­сия (или внешний фотоэффект), заключающаяся в испускании электронов поверхностью металла или по­лупроводника при освещении ее светом с достаточно ма­лой длиной волны. Однако роли фотоэлектронной эмис­сии в различных видах самостоятельного разряда мы ка­саться не будем.