СЧЕТЧИКИ НЕВИДИМЫХ ЧАСТИЦ И ИЗЛУЧЕНИЙ

Как возбуждается и ионизируется газ

Если внешнему электрону лития сообщить энергию больше 5,37 эв, то он вообще покинет атом, т. е. выйдет из сферы влияния ядра лития. Процесс отрыва внешнего электрона от атома носит название ионизации атома. Энер­гию, необходимую для совершения отрыва электрона от атома, называют потенциалом ионизации и выражают в электрон-вольтах. Эта энергия различна для различных атомов. Атом, потерявший один электрон (один отрица­тельный заряд), обладает одним избыточным положитель­ным зарядом и потому называется положительным ионом.

Атомы газа (или пара) возбуждаются или ионизируют­ся при столкновении их с быстролетящими частицами — электронами, ядрами гелия (альфа-частицами), протонами, нейтронами, другими атомами, а также при поглощении ими лучистой энергии — квантов световых, рентгеновских и гамма-лучей.

Возбуждение и ионизация газа под ударами быстроле- тящих частиц носит название ударной ионизации. При прохождении электрона через газ он претерпевает огром­ное число столкновений с нейтральными атомами. Так как масса электрона значительно (примерно в 2000 раз) меньше массы атома, то при встрече быстролетящего элект­рона с атомом может произойти упругое столкновение, при котором электрон почти не теряет своей кинетической энергии и не производит никаких изменений в энергети­ческом состоянии атома. В самом деле, представьте себе, что упругий теннисный мяч диаметром примерно 5 см, летя­щий с относительно большой скоростью, попадает в другой движущийся теннисный мяч, но с диаметром в 2000 раз больше первого — примерно 100 м. Очевидно, что послед­ний не испытает заметных изменений в своем движении. Маленький же мяч только изменит направление своего движения, почти не потеряв при этом своей кинетической энергии.

Но может произойти и так, что электрон отдает атому всю или часть своей кинетической энергии. В результате этого атом возбуждается или ионизируется, если отданная электроном энергия больше потенциала ионизации атома. Такой вид соударения называют неупругим столкновением первого рода. Вернемся к тому же сравнению и представим, что на поверхности стометрового теннисного мяча приклеено несколько маленьких пятисантиметровых мячей и что ле­тящий мяч попал в один из них. Так как их массы равны, то под ударом последнего и в зависимости от величины полученной им энергии приклеенный мяч может оторваться от поверхности большого мяча. При этом у большого мяча не хватит одного малого и он станет как бы «ионизиро­ванным».

Так как время жизни возбужденного атома хотя и весьма малое, но конечное, то может случиться, что в это время произойдет еще одно неупругое столкновение возбужден­ного атома с электроном. В результате этого атом полу­чит еще часть энергии и его возбужденный электрон перейдет на более высокий энергетический уровень или совершенно покинет атом. Этот процесс носит название ступенчатого возбуждения.

Описанный механизм ударной ионизации относится к любому виду частиц, будь то электроны, альфа - или дру­гие какие-либо быстро летящие частицы.

Другим процессом возбуждения и ионизации газа, имею­щим место в газоразрядных счетчиках, является процесс поглощения атомами газа квантов лучистой энергии. Кван­ты световых, рентгеновских и гамма-лучей, попадая в атом, передают всю или часть своей энергии атому, возбуждая или ионизируя его[6]). При этом, как и в первом случае, атом может воспринять такое количество энергии, какое необходимо электрону, чтобы он мог либо занять дозво­ленный энергетический уровень, либо оторваться от ядра.

Газы или пары могут поглощать лишь такие кванты энер­гии видимого света, которые они могут сами испускать. Если энергия кванта превышает потенциал ионизации дан­ного атома, то квант отдает ему часть энергии и сам ста­новится при этом более длинноволновым.

У некоторых газов, в частности у инертных, существует один или несколько таких энергетических уровней, с ко­торых электрон не может самопроизвольно перейти на нижний уровень. Как говорят в физике, переход здесь «запрещен». Эти энергетические уровни называются мета - стабильными уровнями, само состояние возбужденного ато­ма называется метастабильным состоянием, а такой атом — метастабильным атомом. Из такого состояния в нормаль­ное атом может перейти двумя путями: либо получить дополнительную энергию, дающую возможность электро­ну занять более высокий энергетический уровень, с кото­рого ему не «запрещено» самопроизвольно переходить на более низкие уровни обычным путем, либо метастабильный атом передает свою энергию путем столкновения с другими атомами и молекулами газа или с металлической стенкой сосуда.

В последнем случае, если величина энергии метаста - бильного атома превышает работу выхода металла, то атом вырвет из него один электрон. Время жизни метастабильных атомов определяется внешними условиями. Метастабильные атомы играют серьезную роль в работе газоразрядного счетчика.

Возбуждение и ионизация газа могут происходить так­же и под действием высокой температуры (термическая ионизация и термическое возбуждение). Так как при вы­сокой температуре сильно увеличивается число быстро движущихся частиц газа, то значительная часть столк­новений частиц друг с другом могут привести к переходу кинетической энергии движения частиц в энергию их воз­буждения или ионизации. Это явление можно легко наблю­дать. Если посолить пламя горелки газовой плиты, то оно окрашивается в желтый цвет вследствие того, что под дей­ствием высокой температуры возбуждаются пары натрия, излучающие желтую линию спектра.

Наряду с ионизацией постоянно имеет место и обратный процесс — захват электронов положительным ионом. Этот процесс носит название рекомбинации положительного иона и электрона в нейтральную частицу.