ID: 00017601
Каким образом возникает газовый разряд и свечение в стеклянных трубках с достаточно разреженными газами при подаче на электроды в трубках высокого напряжения? Какие частицы (ионы или электроны) играют основную роль в обеспечении ионизации газа? Оцените, во сколько раз отличаются кинетические энергии электронов и ионов атомарного водорода (протонов) после их ускорения в электрическом поле. Ответ поясните на основании известных законов механики и электродинамики.
Источник: ФИПИ
Разряд в разреженном газе — это ударная ионизация: заряженные частицы разгоняются полем, набирают энергию и при ударах выбивают электроны из атомов. А энергию, набранную в поле, считаем через работу поля — и тут масса частицы роли не играет, важен только её заряд.
Высокое напряжение создаёт между электродами сильное электрическое поле. Всегда есть немного случайных свободных электронов (от космических лучей, естественной радиации). Поле разгоняет их; в разреженном газе молекул мало, и до следующего столкновения электрон успевает пролететь большой путь и набрать энергию, достаточную для ионизации. Ударяясь об атом, такой электрон выбивает из него ещё один электрон — рождается новая пара «электрон + положительный ион». Новые электроны снова разгоняются и снова ионизируют — число носителей лавинообразно растёт, возникает самостоятельный газовый разряд. Свечение появляется оттого, что при возбуждении и обратной рекомбинации (ион захватывает электрон) атомы излучают свет.
Основную роль играют электроны. Они в тысячи раз легче ионов, поэтому в поле разгоняются гораздо быстрее и на одном и том же свободном пробеге успевают набрать энергию, нужную для ионизации. Тяжёлые ионы инертны, разгоняются медленно и ионизируют газ слабо.
Когда частица с зарядом $q$ проходит ускоряющую разность потенциалов $U$, поле совершает над ней работу $A=qU$. По теореме о кинетической энергии вся эта работа переходит в кинетическую энергию: $E_к=qU$. У электрона заряд по модулю $e$, у протона тоже $e$. Значит:
$E_{к,\,э}=eU,\qquad E_{к,\,p}=eU.$
Их отношение $\dfrac{E_{к,\,э}}{E_{к,\,p}}=\dfrac{eU}{eU}=1$. Энергии одинаковы — масса в этот расчёт не входит (различаются у них не энергии, а скорости: лёгкий электрон при той же энергии летит гораздо быстрее тяжёлого протона).
Ответ: кинетические энергии электрона и протона после ускорения в одном поле равны (отношение 1); ионизацию обеспечивают в основном электроны.
Кинетические энергии электрона и протона после ускорения в одном и том же поле одинаковы (отличаются в 1 раз), потому что у них одинаковый по модулю заряд. Основную роль в ионизации играют электроны.