Для многих видов разряда пробой всего промежутка возможен только в том случае, если кроме ионизации в объеме газа, имеет место и так называемая вторичная ионизация на катоде, обеспечивающая воспроизводство заряженных частиц в связи с их уходом из промежутка.
Процессы на катоде в промежутке при развитии разряда могут быть следующие: а) освобождение вторичных электронов с катода под действием фотоизлучения; б) освобождение электронов под действием прихода на катод положительных ионов; в) освобождение электронов при взаимодействии с поверхностью катода возбужденных атомов и молекул.
Кроме того, может происходить освобождение электронов с поверхности электрода и в результате других процессов. Такими процессами являются: а) автоэлектронная эмиссия, если напряженность электрического поля у поверхности электрода очень велика и происходит вырыв электрона из металла; б) термоэлектронная эмиссия, происходящая при специальном нагреве электрода, например, в газоразрядных приборах.
Помимо процессов на катоде, вторичная ионизация может происходить и в объеме газа. В определенном смысле такой вторичной ионизацией является рассмотренная ранее фотоионизация в объеме газа, так как в отличие от ударной ионизации при столкновении молекул с электронами, ионизация при поглощении фотона является вторичным процессом, следующим за образованием при столкновении возбужденной частицы и последующим испусканием фотона при девозбуждении.
Вторичная ионизация на аноде при взаимодействии с ним электронов или отрицательных ионов не имеет значения при рассмотрении процессов разряда, так как освободившиеся с поверхности анода электроны тут же вновь уходят на него.
Лекция 1. Предмет и задачи сельскохозяйственной радиологии
2. Понятие об ионизирующем излучении (ИИ)
Важнейшим свойством различных ядерных превращений является их способность образовывать различные виды ионизирующих излучений (ИИ), которые, в свою очередь, при прохождении различных сред (газы, твердые тела и жидкости) неорганического или органического происхождения вызывают в них ионизацию атомов и молекул. Это приводит к образованию электрически заряженных частиц – ионов (катионов и анионов).
Такое взаимодействие приводит возбуждению атомов и отрыву отдельных электронов из атомных оболочек. В результате атом, лишенный одного или нескольких электронов, превращается в положительно заряженный ион — происходит первичная ионизация.
Выбитые при первичном взаимодействии электроны, обладающие энергией, сами взаимодействуют со встречными атомами и также создают новые ионы — происходит вторичная ионизация. Электроны, потерявшие в результате многократных столкновений свою энергию, остаются свободными или присоединяются («прилипают») к нейтральному атому, образуя отрицательно заряженные ионы. Энергия излучения при прохождении через вещество расходуется в основном на ионизацию среды.
Число пар ионов, создаваемых ионизирующим излучением в веществе на единице пути пробега, называется удельной ионизацией, а средняя энергия, затрачиваемая ионизирующим излучением на образование одной пары ионов, — средней работой ионизации. Расстояние, пройденное частицей от места образования до места потери ею избыточной энергии, называется длиной пробега.
На каждую пару ионов возникает, кроме того, два-три возбуждённых атома или молекулы, в которых при столкновении происходит перемещение электронов на оболочках. В результате атом или молекула приобретают избыточную энергию, которая излучается или в виде фотонов видимого, ультрафиолетового света, или в виде рентгеновских лучей и гамма- квантов.
Радиобиологические эффекты, возникающие при воздействии ИИ на живые организмы, обусловлены, прежде всего, количеством энергии, поглощенной единицей объема биологической ткани. Вплоть до начала пятидесятых годов прошлого столетия для измерения количества радиации использовалась единица экспозиционной дозы «рентген» (Р). Один рентген соответствовал эффекту действия 1 г радия-226 за час на расстоянии одного метра и обнаруживался по покраснению кожи руки.
В настоящее время один рентген — это такая величина энергии ионизирующего излучения, которая в 1 см³ абсолютно сухого воздуха при температуре 0ºС и атмосферном давлении 760 мм рт. ст. приводит к образованию 2,08•10 9 пар ионов.
Ионизирующие излучения по своей природе неоднородны, т.к. создаются различными видами радиоактивных лучей.
Ионизация газа — это процесс образования ионов из нейтральных частиц. Ионизация образуется от соударения в процессе теплового движения или ионизация газа в воздухе.
Что такое ионизация газа Аэроионы
Чистые, сухие газы не содержат свободных зарядов и являются диэлектриками. При различных внешних воздействиях электроны легко отрываются от атомов газа, образуя таким образом положительные ионы. Оторвавшиеся электроны в значительной части остаются в свободном состоянии, в меньшей — присоединяются к другим атомам, образуя отрицательные ионы.
Происходит ионизация газа. В результате ионизации газ делается хотя и плохим, но проводником электрического тока. Ионизация газа происходит при нагревании (см. рис. 2), соударении его частиц, поглощении фотонов ультрафиолетового излучения и т. п.
Соударяясь в процессе теплового движения, электроны и положительные ионы могут вновь соединяться в нейтральные частицы. Это называется рекомбинацией ионов. Если ионизирующий агент действует с постоянной интенсивностью, то в газе устанавливается динамическое равновесие между количеством ионов и электронов, вновь образующихся и рекомбинирующихся в единицу времени.
В результате количество ионов, содержащихся в единице объема газа, или их концентрация, остается постоянным. Если интенсивность ионизирующего агента повышается, увеличивается и концентрация ионов и электронов. Если действие ионизирующего агента прекращается, то газ постепенно возвращается к исходному состоянию.
Ионизация газа в воздухе
В воздухе и других газах, которые находятся в естественных природных условиях, всегда имеется небольшое количество свободных электронов, а также ионов обоих знаков, образовавшихся вследствие ионизирующего действия природных факторов: ультрафиолетовой части солнечного излучения, космического излучения, излучения радиоактивных веществ, находящихся в земной коре, и т. д.
Обычно они присоединяются к нейтральным молекулам или группам молекул и образуют сложные газовые ионы обоих знаков. В воздухе ионы образуются также при распыливании воды (это называется баллоэлектрическим эффектом), например при падении дождя, около водопадов, фонтанов и т. п. Ионы образуются также (путем вторичной ионизации) при атмосферных электрических разрядах (грозовые молнии).
Газовые ионы, в свою очередь, могут присоединяться к различным взвешенным в газе частицам вещества (пылинки частицы дыма) или мельчайшим капелькам водяного пара и т. п.
Находящиеся в атмосфере газовые ионы называются аэроионами и разделяются на легкие и тяжелые. Легкими аэроионами называются газовые ионы, простые или сложные. Масса их невелика, а подвижность относительно высокая. Тяжелыми аэроионами называются газовые ионы, связанные с твердыми частицами или частицами влаги.
Эти ионы имеют значительно большую массу и меньшую подвижность. Концентрация аэроионов в воздухе зависит от различных метеорологических условий и все время меняется. В среднем в 1 см 3 городского воздуха содержится несколько сотен легких и до нескольких десятков тысяч тяжелых аэроионов. В чистом загородном воздухе количество легких аэроионов увеличивается до нескольких тысяч, а тяжелых снижается почти до нуля.
Легкие и преимущественно отрицательные аэроионы являются положительным гигиеническим фактором. Тяжелые аэроионы действуют вредно на организм. В настоящее время в качестве оздоровительного, а иногда и лечебного мероприятия применяется искусственная аэроионизация воздуха с помощью приборов, называемых аэроионизаторами.
Образование тока в газе вторичная ионизация
Ионизация газа, происходящая под влиянием внешних воздействий, называется первичной ионизацией. Если в газе, в котором поддерживается первичная ионизация, образовать электрическое поле, то под действием сил поля ионы и электроны придут в направленное движение. Движение двух встречных потоков положительных и отрицательных ионов и электронов образует электрический ток в газе. Достигая электродов, ионы нейтрализуют свои заряды путем присоединения (на катоде) или отдачи (на аноде) электронов и таким образом поддерживают ток во внешней цепи.
Образование тока в газе при ионизации его путем нагревания можно показать на опыте (рис. 2). Воздух, находящийся между пластинами Р воздушного конденсатора, подключенного к батарее Б, будучи нагрет пламенем спиртовой горелки, делается токопроводящим. Ток между пластинами отмечается чувствительным гальванометром Г.
Если напряжение, приложенное к электродам невелико, невысока и ско рость перемещения ионов, то только часть из числа пар ионов, образующих ся в единицу времени, достигает электродов и, отдавая свои заряды, образует ток в цепи, остальные ионы рекомбинируются. При увеличении напряжения эта часть ионов будет возрастать, соответственно возрастает и сила тока, однако только до тех пор, пока все ионы, образующиеся в единицу времени, не будут достигать электродов. Ток при этом, несмотря на увеличение напряжения, больше возрастать не будет. Этот ток называется током насыщения. Величина Iн тока насыщения прямо пропорциональна заряду е иона, числу N ионов одного знака, образующихся в единицу времени (1 сек) в единице объема (1 см 3 ) газа, и объему V газа между электродами:
Это поясняется схемой, которая показывает, что ионы в газе двигаются двумя встречными потоками, но через любое сечение газа в единицу времени проходит NV зарядов (например, для среднего сечения аb это будет два потока, каждый по NV/2 ионов).
Ионы (или электроны), двигающиеся в газе, испытывают столкновения с окружающими их неионизированными частицами газа, поэтому средняя скорость поступательного движения аэроионов относительно невелика. Эта скорость прямо пропорциональна напряженности поля и зависит от строения иона.
Скорость движения ионов в газе
Подвижность (скорость при напряженности поля 1 в/см) аэроионов указана в таблице.
Вид ионов
Радиус иона в см
Подвижность в
Масса электрона в тысячи раз меньше массы аэроиона, поэтому скорости движения электронов значительно выше.
При небольших скоростях движения соударение ионов и электронов с неионизированными частицами газа вызывает только изменение направления движения частиц (упругое рассеяние).
Вследствие значительного расстояния между молекулами в газе и при достаточно высокой напряженности поля электроны могут разгоняться до скоростей, при которых их кинетическая энергия может оказаться достаточной, чтобы вызвать неупругое соударение, в результате которого происходит ионизация частицы газа. Это явление называется вторичной ионизацией или ионизацией путем соударения.
Разность потенциалов, при которой должен быть ускорен электрон для осуществления ионизации путем соударения, называется ионизационным потенциаломе — заряд электрона) должна быть равна работе Ли, которую надо совершить, чтобы оторвать электрон от атома данного газа:
где Аи выражена в электрон-вольтах. Итак, ионизационный потенциал численно равен отношению работы по ионизации атома данного газа к заряду электрона.
Наименьший ионизационный потенциал соответствует отрыву внешних электронов.
Ионизационный потенциал внутренних электронов в несколько раз выше. Во многих случаях учитывается некоторый средний потенциал. Например, средний ионизационный потенциал воздуха принимается равным 34 в (это означает, что для образования одной пары ионов в воздухе в среднем необходимо затратить энергию 34 эв).
Во вторичной ионизации принимают участие также и ионы обоих знаков, но в связи с малой подвижностью значение их в этом процессе незначительно.
При определенной величине напряженности поля в газе начинается вторичная ионизация путем соударения. Количество ионов, образующихся в единицу времени, быстро нарастает. Соответственно возрастает и сила тока, что отражается на графике значительным и неравномерным подъемом кривой (участок ВС).
Электрический ток в газе
Электрический ток в газе, особенно значительный по величине, сопровождается свечением газа, звуковыми явлениями (шипением, треском), образованием в воздухе озона и окислов азота и т. п. Совокупность этих явлений, включая и само образование тока, называется электрическим разрядом в газе. Свечение связано с возбуждением атомов и молекул газа, происходящим при соударении их с электронами (или ионами) с высокой кинетической энергией, но недостаточной для ионизации. Звуковые явления связаны с местным нагреванием газа, происходящим при столкновении частиц. В связи с этим частицы газа приходят в движение, которое при определенных условиях является источником звука.
Разряд обусловленный первичной ионизацией, происходящей под действием внешних воздействий, называется несамостоятельным разрядом, так как с прекращением первичной ионизации газа он также прекращается. Разряд, происходящий под действием вторичной ионизации (ионизации путем соударения) называется самостоятельным разрядом в газе, так как он может продолжаться за счет вторично образующихся ионов, т. е. независимо от первичной ионизации.
Для многих видов разряда пробой всего промежутка возможен только в том случае, если кроме ионизации в объеме газа, имеет место и так называемая вторичная ионизация на катоде, обеспечивающая воспроизводство заряженных частиц в связи с их уходом из промежутка. Процессы на катоде в промежутке при развитии разряда могут быть следующие:
а) освобождение вторичных электронов с катода под действием фотоизлучения;
б) освобождение электронов под действием прихода на катод положительных ионов;
в) освобождение электронов при взаимодействии с поверхностью катода возбужденных атомов и молекул.
Кроме того, может происходить освобождение электронов с поверхности электрода и в результате других процессов. Такими процессами являются:
а) автоэлектронная эмиссия, если напряженность электрического поля у поверхности электрода очень велика и происходит вырыв электрона из металла;
б) термоэлектронная эмиссия, происходящая при специальном нагреве электрода, например, в газоразрядных приборах.
Помимо процессов на катоде, вторичная ионизация может происходить и в объеме газа. В определенном смысле такой вторичной ионизацией является рассмотренная ранее фотоионизация в объеме газа, так как в отличие от ударной ионизации при столкновении молекул с электронами, ионизация при поглощении фотона является вторичным процессом, следующим за образованием при столкновении возбужденной частицы и последующим испусканием фотона при девозбуждении.
Вторичная ионизация на аноде при взаимодействии с ним электронов или отрицательных ионов не имеет значения при рассмотрении процессов разряда, так как освободившиеся с поверхности анода электроны тут же вновь уходят на него.
ИОНИЗАЦИЯ ВОЗДУХА ОТНОСИТСЯ К ЧИСЛУ МОДНЫХ ТЕРМИНОВ, О НЕЙ МНОГО ГОВОРЯТ, ВСЕ УБЕЖДЕНЫ В ЕЕ ПОЛЬЗЕ, НО, ПО СУТИ, МАЛО КТО ПОНИМАЕТ, ЧТО ЭТО ТАКОЕ НА САМОМ ДЕЛЕ И ЗАЧЕМ НУЖНО ЧЕЛОВЕКУ.
Что такое ионизация?
За последние десять лет мы все чаще слышим это словосочетание: ионизация воздуха. Что это такое на самом деле? Ионизация – это физический процесс отрыва электрона от молекул или атомов газов, в результате чего из одной нейтральной молекулы образуются две с разным зарядом: отрицательная, получившая «бонусный» электрон, и положительная, которая его потеряла.
В природе ионизация воздуха происходит естественным путем, наиболее остро она ощущается в хвойных лесах, горах и на море. Обычно воздух ионизируется с помощью молний и космического излучения, а самому процессу подвергается кислород и озон. Ионизированные молекулы газа называют аэроионами, а их присутствие и делает свежий природный воздух полезным человеку. Ионизация воздуха в квартире естественным образом не происходит, так как нет прямого воздействия ее природных источников, и мы прибегаем к специальным приборам – ионизаторам – или технике с такой функцией. Но для чего нужна ионизация воздуха в квартире и нужна ли она вообще?
Польза и вред ионизации
Итак, функция ионизации воздуха – создание аэроионов в воздухе. В природе количество аэроионов, в среднем, в 10-15 раз больше, чем в городском воздухе, загрязненном выхлопными газами и выбросами промышленных предприятий. В доме на качество воздуха также влияют испарения от техники и электромагнитное излучение телевизоров и компьютеров. Пожалуй, на этом железные факты про ионизацию закончены.
Насыщение воздуха ионами сейчас широко разрекламировано, оговоримся сразу, доказанных как негативных, так и позитивных эффектов от ионизации нет, во всяком случае, в медицине однозначных рекомендаций по ее поводу нет. Информация о пользе и вреде ионизации может быть Вам полезна, если Вы задумываетесь о приобретении такого прибора или уже им владеете, но она не подтверждена авторитетными источниками.
Согласно открытым источникам, у аэроионов, а точнее, у насыщенного ими воздуха, есть свои плюсы. Прежде всего, они активизируют работу эритроцитов, увеличивая газообмен в легких на 10%. Именно этот фактор по большей части обусловливает все другие эффекты ионизации воздуха:
Однако именно эти свойства аэроионов имеют и оборотную сторону. Если есть ионизация воздуха в квартире, полезно или вредно она воздействует на ее жителей, во многом зависит от них и их состояния здоровья. Итак, вредные свойства аэроионов.
Кроме того, вокруг ионизатора могут образовываться круги пыли, помещение с ионизатором нуждается в постоянной влажной уборке, включая стены. Мы можем рекомендовать совмещать ионизатор с качественным очистителем-обеззараживателем воздуха, который защитит Вас от распространения частиц пыли, вирусов и инфекций.
Техника для ионизации
Сегодня существует множество приборов для ионизации воздуха, техника может выполнять только эту функцию, а может и совмещать ее с другими. В любом случае, при использовании ионизатора нужно помнить два условия:
Все ионизаторы можно разделить на униполярные и биполярные. Первые вырабатывают только отрицательно заряженные аэроионы и могут выделять большое количество вредного для человека озона в процессе своей работы. Вторые создают аэроионы обоих зарядов, что позволяет избежать появления электростатического поля и сократить выработку озона. При выборе ионизатора или прибора с такой функцией обязательно обратите внимание на наличие гигиенического сертификата, который подтверждает само наличие ионизации и безопасность прибора для человека. Кроме того, если количество заявленных аэроном превышает 50 000 – прибор должен иметь еще и медицинский сертификат.
Люстра Чижевского
Электроэффлювиальный ионизатор, который крепится к потолку и действительно напоминает люстру. Она ионизирует воздух с помощью электрического тока, конструкция прибора позволяет контролировать напряжение и количество получаемых аэроионов. При этом люстра Чижевского – униполярна, она создает больше озона, чем допустимо, и поэтому редко рекомендуется для домашнего применения и считается устаревшей.
Ионизатор
Прибор, выполняющий только функцию ионизации. Существуют разные модели и производители, однако при выборе такого прибора, помимо его типа, следует обратить внимание на радиус работы, наличие вентилятора, который ускорит процесс распространения аэроионов по комнате, количество вырабатываемых ионов и соотношение отрицательных и положительных, оптимальным считается превышение в пользу отрицательных примерно на треть.
Очиститель воздуха с ионизацией
Ионизация в данном случае выступает отдельной функцией. Особенно важно, чтобы выработка аэроионов регулировалась отдельно, так как очистителю лучше работать в режиме нон-стоп. Обратите внимание на систему фильтрации, учитывая особенности аэроионов, лучше всего, чтобы очиститель имел высокий класс очистки, способный задерживать даже мельчайшие частицы пыли, а также возможность обеззараживания.
Помните, все, что не сможет очистить такой прибор, и все, что скопится на его фильтрах, получит заряд и разнесется по всей комнате, а потом попадет в легкие.
Увлажнитель воздуха с ионизацией
Наиболее спорное, на мой взгляд, решение. В большинстве случаев увлажнитель создает питательную среду для всех микроорганизмов, а ионизатор, в свою очередь, способствует их распространению. В таком случае следует особое внимание уделить обеззараживанию воздуха.
Учитывая всю специфику ионизации и достаточно спорные эффекты ее воздействия, кажется наиболее разумным не смешивать эту функцию с другими, да и использовать ее крайне осторожно, так как однозначно на пользу она пойдет только уже здоровому человеку, а вот больному способна нанести существенный вред. В любом случае, перед использованием ионизатора лучше проконсультироваться с врачом.
