气体放电基础分解
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(nm) 1.24 103
W (ev)
气体放电物理基础
• 热激发和热电离
(1)气体原子相互碰撞产生电离 (2)高温气体产生热辐射而引起的光致电离 (3)以上两种电离过程所产生的高能电子引起的碰撞电离
气体放电物理基础
• X射线及核辐射引起的电离和剩余电离 X射线：
(1)气体原子吸收X射线量子后，使一个价电子脱离。这 个高能电子使气体原子产生大量的碰撞电离。
（受激原子自发地直接过渡到 基态， 并产生光子辐射。）
激发态 原子能级
较高激发态能级
（向较低基发态能级跃迁，并产生光子 辐射。）
亚稳能级
（不能自发地通过光辐射向基态跃迁。）
气体放电物理基础
• 电子与气体原子碰撞致激发和电离
——电子使基态原子(或分子)电离和激发
电子必须具有的动能
原子由基态E0激发态Em
彩色等离子体 显示
气体放电物理基础
气体放电中的基本粒子： • 基态原子（或分子） • 电子 e＝1/2mve2，典型密度为1016~1020/m3. • 激发态原子(或分子) • 正离子和负离子 • 光子 ＝h
气体放电物理基础
基本粒子间的相互作用 • 弹性碰撞
参与碰撞的粒子的运动速度和方向发生变 化，而位能不发生变化。
气体放电物理基础
带电粒子的热运动 （1）带电粒子的速度分布与平均动能
麦克斯韦分布：
气体放电物理基础
三种统计速度：
气体放电物理基础
电子和气体原子的碰撞几率
总有效截面
Qe nqe
电子的平均自由程
e
1 Qe
1 nqe
气体放电物理基础
氦原子的激发截面与电子能量的关系
气体放电物理基础 • 原子和离子与气体原子碰撞致激发和电离
气体放电物理基础
• 光致激发和光致电离
h A A*()
光致激发和光致电离 的光子波长
从地面向上升高时，剩余电离作用开始随高 度增加而下降， 在到达1.5km以后，剩余电离重 新增加。
气体放电物理基础
气体原子的激发转移和消电离
气体粒子的激发转移和消电离是气体粒子的激发和 电离的逆过程，这些基本过程属于重粒子间的第二类非 弹性碰撞。
1．气体原子的激发转移
• 自发辐射跃迁 • 与电子的非弹性碰撞 • 与基态原子的非弹性碰撞
平均能量损失率
2m1m2
(m1 m2 )2
举例：me=9.110-31kg, mHe=6.6810-27kg.
e-He原子碰撞：＝2.7210-4, He+-He原子碰撞：＝0.5
气体放电物理基础
• 非弹性碰撞
使参与碰撞的粒子间发生了位能的变化。 第一类非弹性碰撞：导致粒子体系位能增加。
如 He+e(快速） He*+e（慢速）
潘宁效应 辐射的淬灭 敏化荧光
气体放电物理基础
2．带电粒子的复合 • 电子和正离子间的复合
假定电子质量为m，正离子质量为M。复合之前， 电子相对于离子的速度为，复合后形成中性原子速 度为u。中性原子的质量则为m＋M。eUi为其电离能。
根据动量守恒有 mv (m M )u
根据动量守恒有
1 2
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
mv2
(2)高能X射线量子被原子吸收，使原子一个内层电子电 离，随即有较外层的电子跃迁到内层空位上，这个过程 也伴随着能量的释放。新的X量子又可以产生新的电离。
(3)原子不是完全吸收x射线量子，而是产生康普顿效应。
气体放电物理基础
核辐射引起的电离： （1）射线、质子和氘核
它们引起的电离，相当于高速正离子与气体原子产生 的第一类非弹性碰撞。
（2）射线
它引起的电离，相当于极高速电子与气体原子的第一 类非弹性碰撞。
（3）射线
射线引起的电离相当于能量很大的光子引起的光致电 离，主要产生康普顿效应。
气体放电物理基础
剩余电离
（1）在地面附近产生剩余电离的原因是地壳中 放射性物质的辐射。
（2）高空中的剩余电离主要是宇宙射线引起的。 宇宙线是来自星际空间的高能粒子。
第二类非弹性碰撞：导致粒子体系位能减小。 如 He* +e(慢速） He+e（快速）
气体放电物理基础
第一类非弹性碰撞:
内能的最大值
Wm a x
m2 2(m1
m2 )
E12
E1
1 2
m112
如 m1m2，Wmax0.5E1； m1m2，WmaxE1。
气体放电物理基础
气体原子的激发和电离
谐振能级
e A A* e E
1 2
me 2
Em
E0
eU e
基态原子被电离
e A A 2e E
1 2
me 2
Em
E0
eU e
气体放电物理基础
——电子使激发态原子电离和激发
e A* A** e e A* A e e
举例：
汞的电离电位为10.4V，而汞弧放电的稳态 电压只有9~10V。这是因为
eUi
1 2
(m
M )u2
气体放电物理基础
从以上两式得出
u2 2eUim (无解) (m M )M
说明 电子与正离子的二体复合不可能发生。
三体碰撞复合
辐射复合
气体放电物理基础
• 正负离子间的复合
（a）辐射复合 X - +Y+ XY +h （b）电荷交换 X - +Y+ X＋Y （c）三体复合 X - +Y+＋Z XY +Z
e Hg *(63 p0 ) Hg e e
能级为4.66ev
能级为5.43ev e Hg * (63 p2 ) Hg e e
气体放电物理基础
碰撞截面
原子作用半径R： 电子与原子间能发生相互作用的最大距离。
原子与电子碰撞的有效截面 qe R2
电子能量的函数
有效截面不仅包含原子半径的概念，还包含了带电粒 子和原子在相互作用中，具有几率和不确定因素的含意。
4．负离子的形成
中性原子捕获电子形成负离子 e A A h
三体碰撞
e
A
B
A
B
分解吸附 e XY ( XY )* X Y
分子气体与电子碰撞产生离子对 重粒子间的电荷转移产生离子对
e A
XY X B A
Y B
e
气体放电物理基础
带电粒子在气体中的运动
• 带电粒子的热运动 • 带电粒子的扩散运动 • 带电粒子的漂移运动
由于正、负离子间的相对运动速度比较小，所以 离子复合几率比电子复合几率大得多。
在能够形成负离子的气体中，体积复合大多分两 步进行，首先是电子和原子结合形成负离子，然后负 离子再与正离子发生复合。
气体放电物理基础 3. 带电粒子的电荷转移
A B A B E
A B A B* E
A B A* B* E
W (ev)
气体放电物理基础
• 热激发和热电离
(1)气体原子相互碰撞产生电离 (2)高温气体产生热辐射而引起的光致电离 (3)以上两种电离过程所产生的高能电子引起的碰撞电离
气体放电物理基础
• X射线及核辐射引起的电离和剩余电离 X射线：
(1)气体原子吸收X射线量子后，使一个价电子脱离。这 个高能电子使气体原子产生大量的碰撞电离。
（受激原子自发地直接过渡到 基态， 并产生光子辐射。）
激发态 原子能级
较高激发态能级
（向较低基发态能级跃迁，并产生光子 辐射。）
亚稳能级
（不能自发地通过光辐射向基态跃迁。）
气体放电物理基础
• 电子与气体原子碰撞致激发和电离
——电子使基态原子(或分子)电离和激发
电子必须具有的动能
原子由基态E0激发态Em
彩色等离子体 显示
气体放电物理基础
气体放电中的基本粒子： • 基态原子（或分子） • 电子 e＝1/2mve2，典型密度为1016~1020/m3. • 激发态原子(或分子) • 正离子和负离子 • 光子 ＝h
气体放电物理基础
基本粒子间的相互作用 • 弹性碰撞
参与碰撞的粒子的运动速度和方向发生变 化，而位能不发生变化。
气体放电物理基础
带电粒子的热运动 （1）带电粒子的速度分布与平均动能
麦克斯韦分布：
气体放电物理基础
三种统计速度：
气体放电物理基础
电子和气体原子的碰撞几率
总有效截面
Qe nqe
电子的平均自由程
e
1 Qe
1 nqe
气体放电物理基础
氦原子的激发截面与电子能量的关系
气体放电物理基础 • 原子和离子与气体原子碰撞致激发和电离
气体放电物理基础
• 光致激发和光致电离
h A A*()
光致激发和光致电离 的光子波长
从地面向上升高时，剩余电离作用开始随高 度增加而下降， 在到达1.5km以后，剩余电离重 新增加。
气体放电物理基础
气体原子的激发转移和消电离
气体粒子的激发转移和消电离是气体粒子的激发和 电离的逆过程，这些基本过程属于重粒子间的第二类非 弹性碰撞。
1．气体原子的激发转移
• 自发辐射跃迁 • 与电子的非弹性碰撞 • 与基态原子的非弹性碰撞
平均能量损失率
2m1m2
(m1 m2 )2
举例：me=9.110-31kg, mHe=6.6810-27kg.
e-He原子碰撞：＝2.7210-4, He+-He原子碰撞：＝0.5
气体放电物理基础
• 非弹性碰撞
使参与碰撞的粒子间发生了位能的变化。 第一类非弹性碰撞：导致粒子体系位能增加。
如 He+e(快速） He*+e（慢速）
潘宁效应 辐射的淬灭 敏化荧光
气体放电物理基础
2．带电粒子的复合 • 电子和正离子间的复合
假定电子质量为m，正离子质量为M。复合之前， 电子相对于离子的速度为，复合后形成中性原子速 度为u。中性原子的质量则为m＋M。eUi为其电离能。
根据动量守恒有 mv (m M )u
根据动量守恒有
1 2
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
mv2
(2)高能X射线量子被原子吸收，使原子一个内层电子电 离，随即有较外层的电子跃迁到内层空位上，这个过程 也伴随着能量的释放。新的X量子又可以产生新的电离。
(3)原子不是完全吸收x射线量子，而是产生康普顿效应。
气体放电物理基础
核辐射引起的电离： （1）射线、质子和氘核
它们引起的电离，相当于高速正离子与气体原子产生 的第一类非弹性碰撞。
（2）射线
它引起的电离，相当于极高速电子与气体原子的第一 类非弹性碰撞。
（3）射线
射线引起的电离相当于能量很大的光子引起的光致电 离，主要产生康普顿效应。
气体放电物理基础
剩余电离
（1）在地面附近产生剩余电离的原因是地壳中 放射性物质的辐射。
（2）高空中的剩余电离主要是宇宙射线引起的。 宇宙线是来自星际空间的高能粒子。
第二类非弹性碰撞：导致粒子体系位能减小。 如 He* +e(慢速） He+e（快速）
气体放电物理基础
第一类非弹性碰撞:
内能的最大值
Wm a x
m2 2(m1
m2 )
E12
E1
1 2
m112
如 m1m2，Wmax0.5E1； m1m2，WmaxE1。
气体放电物理基础
气体原子的激发和电离
谐振能级
e A A* e E
1 2
me 2
Em
E0
eU e
基态原子被电离
e A A 2e E
1 2
me 2
Em
E0
eU e
气体放电物理基础
——电子使激发态原子电离和激发
e A* A** e e A* A e e
举例：
汞的电离电位为10.4V，而汞弧放电的稳态 电压只有9~10V。这是因为
eUi
1 2
(m
M )u2
气体放电物理基础
从以上两式得出
u2 2eUim (无解) (m M )M
说明 电子与正离子的二体复合不可能发生。
三体碰撞复合
辐射复合
气体放电物理基础
• 正负离子间的复合
（a）辐射复合 X - +Y+ XY +h （b）电荷交换 X - +Y+ X＋Y （c）三体复合 X - +Y+＋Z XY +Z
e Hg *(63 p0 ) Hg e e
能级为4.66ev
能级为5.43ev e Hg * (63 p2 ) Hg e e
气体放电物理基础
碰撞截面
原子作用半径R： 电子与原子间能发生相互作用的最大距离。
原子与电子碰撞的有效截面 qe R2
电子能量的函数
有效截面不仅包含原子半径的概念，还包含了带电粒 子和原子在相互作用中，具有几率和不确定因素的含意。
4．负离子的形成
中性原子捕获电子形成负离子 e A A h
三体碰撞
e
A
B
A
B
分解吸附 e XY ( XY )* X Y
分子气体与电子碰撞产生离子对 重粒子间的电荷转移产生离子对
e A
XY X B A
Y B
e
气体放电物理基础
带电粒子在气体中的运动
• 带电粒子的热运动 • 带电粒子的扩散运动 • 带电粒子的漂移运动
由于正、负离子间的相对运动速度比较小，所以 离子复合几率比电子复合几率大得多。
在能够形成负离子的气体中，体积复合大多分两 步进行，首先是电子和原子结合形成负离子，然后负 离子再与正离子发生复合。
气体放电物理基础 3. 带电粒子的电荷转移
A B A B E
A B A B* E
A B A* B* E