физика
Информатика
Русский язык
Английский язык
Немецкий язык
Французcкий язык
Испанский язык
Физика
Химия
Биология
География
Обществознание
Литература
История
сайты - меню - вход - новости




Задания
Версия для печати и копирования в MS Word
Задание 28 № 9226

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 гелия после их ускорения в электрическом поле (считайте, что при ионизации атом гелия теряет один электрон). Ответ поясните на основании известных законов механики и электродинамики.

Решение.

1. Для того чтобы в газе при наличии электрического поля существовал разряд, то есть шёл электрический ток, необходимо наличие в газе заряженных частиц — ионов и электронов.

2. Заряженные частицы, ускоряясь в электрическом поле и сталкиваясь с нейтральными атомами газа, могут вызывать либо их ионизацию (отрыв электрона), либо их возбуждение, при котором электрон переходит на более высокий энергетический уровень. Это возможно в том случае, если за время ускорения заряженных частиц они приобретают достаточную для осуществления указанных процессов кинетическую энергию.

3. При обратных переходах в основное состояние возбуждённые атомы излучают кванты света, в результате чего газоразрядные трубки светятся.

4. Если в какой-то момент атом газа (например, гелия) в трубке был ионизирован и возникла пара «ион + электрон» с одинаковыми разноимёнными зарядами, равными по модулю e, и сильно отличающимися массами m, то в электрическом поле с напряжённостью E, существующем в трубке при подаче на электроды высокого напряжения U, эти частицы ускоряются. Приобретённая ими кинетическая энергия Wк за время t при этом равна работе сил F = eE электрического поля на пути s = at2/2, который проходят частицы, двигаясь с ускорением a = F/m:

то есть лёгкие частицы (электроны) ускоряются быстрее и приобретают бóльшую кинетическую энергию, чем тяжёлые ионы.

5. Поэтому ионизация и возбуждение атомов в газовом разряде осуществляются в основном за счёт их столкновений с электронами, то есть «электронного удара», причём кинетическая энергия ускоренных электронов превышает кинетическую энергию ионов гелия в

Источник: Тренировочная работа по физике 28.04.2017, вариант ФИ10504
Спрятать решение · ·
Валерий Григорьев 04.06.2018 14:22

В объяснении есть ошибка.

Энергия электрона или ядра зависит только от работы, совершённой полем над ними. Работа поля будет A = F * S = e*U * S. Статистически средний пройденный путь ионов и электронов будет равным, потом к концу пути их энергии будут равные.

Ошибка в объяснении в том, что считается, что время движения должно быть равным, что не верно, откуда считать что Е_к ~ 1/m не верно.

Антон

У электронов и ионов разная средняя длина свободного пробега и одинаковое среднее время между столкновениями друг с другом.

Валерий Григорьев 07.06.2018 17:38

А можно источник, в котором написано про среднюю продолжительность свободного полёта электрона в сравнении с ионом?

 

Открыл физику Савельева про газоразрядную плазму, там это объясняется совсем иначе:

 

электрон может испытать лобовое или касательное столкновение с ионом/атомом. При этом, при любом виде столкновения, в следствие квантования энергий ядра, электрон может вообще не передать энергию иону/атому. А так как центральные (лобовые) столкновения электронов с атомами достаточно редки, то взаимодействие произойдёт только тогда, когда электрон, испытав значительно количество нелобовых (касательных) столкновений наберёт под действием поля значительную скорость, после чего ударяется лобовым столкновением с ионом/атомом ионизируя или возбуждая его.

Оценки количества свободных пробегов, так же как и времени свободных пробегов у Савельева нет, хотя дан важный вывод о том, что вследствие преобладания скорости хаотического движения электронов над движением упорядоченным (которое создаётся электрическим полем), электронный газ обладает эквивалентной температурой Т_э (Е_к = 3/2 k * T_э), значительно большей, чем сама плазма, при этом delta T = T_э - T_плазмы составляет тысячи кельвин. Таким образом подвижность электронов как носителей заряда на три порядка выше, чем ионов, в следствие чего ток в плазме создаётся в основном электронами.

 

Т.о. Савельев вообще не сравнивает свободные пробеги электронов и атомов, как и их время свободного пробега, зато даёт оценки возможности переноса энергии от электрона к атому и условия этого переноса.

Антон

То, что эквивалентная температура электронного газа значительно больше, чем у самой плазмы, означает, что средняя кинетическая энергия электронов значительно больше, чем у ионов. Поэтому предположение, что средний пройденный путь ионов и электронов одинаков и их энергии одинаковы, неверно.

Если за какое-то время произошло N столкновений электронов с ионами, то за это же время произошло N столкновений ионов с электронами, и так как количество электронов равно количеству ионов (в данной задаче), значит, среднее время между столкновениями для электрона и иона одинаково. Конечно, электроны также сталкиваются с другими электронами, а ионы с ионам, поэтому средние времена свободного пробега не одинаковы, но близки, поскольку столкновения двух электронов редки (по сравнению со столкновениями электронов с ионами) из-за малого размера электронов, а столкновения двух ионов редки из-за их малой скорости.