【涨知识】气体放电现象（1）

19世纪80年代，当时低压气体放电现象引起了许多物理学者的兴趣。

【气体放电现象】气体放电现象是指电流通过气体的现象，又称气体导电。当气体中出现电子和离子时，在外电场作用下，电子和离子作定向漂移运动，气体就导电了。具体过程是：炽热的阴极可以发射电子（叫做热电子发射），而炽热的阳极也可以发射正离子（叫做热离子发射）。在电场作用下，气体中的电子和离子分别作定向运动，形成电流，但其运动情况有重要差别。电子质量比离子质量小得多，在气体中电子的平均自由程也比离子的大，所以，在电场作用下电子得到的定向运动速度比离子得到的大得多。因而能在电场中积累能量，而能量足够高的电子与气体分子则可以发生非弹性碰撞，把动能传递给气体分子，引起气体分子的电离，产生新的离子和电子或者使气体分子受激发而发光（分子内的电子由激发态回到基态时以光的形式释放能量）。当气体中的电子与正离子相遇时，可以重新复合成中性分子并以发光的方式放出电离能。气体放电现象分为两种类型：自持放电和非自持放电。

【自持放电】气体放电的形成需要具备两个基本条件，一是外施电压，二是外界电离因素。一旦外界电离作用停止，气体放电现象即随之中断，这种放电称为非自持放电。当外加电压升高到一定程度，气此时若去掉外界激离因素，放电仍继续发展，成为自持放电。通常所研究的各种气体放电形式如辉光放电、电晕放电、火花放电、电弧放电等都属于自持放电。形成自持放电的条件可根据汤森理论来确定。

【辉光放电】对玻璃圆柱状放电管两端施加电压，当管内为稀薄气体时【即气压为处于1～0.1托（1托为1mmHg)的范围】，由阴极逸出的电子在气体中发生碰撞电离（或称光电离），此时放电管的大部分区域都呈现弥漫的光辉，其颜色因气体而异，故称辉光放电。辉光放电与暗放电和电弧放电共同组成可连续变化的3种基本放电形式。1838年，法拉第首先发现的辉光放电现象和法拉第暗区。1858年，J.普吕克尔在1/100托下研究辉光放电时发现了阴极射线，成为19世纪末粒子辐射和原子物理研究的先躯。辉光放电的主要应用是利用其发光效应（如霓虹灯、日光灯）以及正常辉光放电的稳压效应（如氖稳压管）。

【碰撞电离】气体中的分子或原子可以失去电子而成为正离子，或得到电子而成为负离子，这叫做电离。用紫外线、X 射线或各种放射性射线照射气体，可以使气体电离，从微观上看，能量足够大的光子、电子、离子等微观粒子撞击气体中的分子或原子时，能使分子或原子分离成电子和正离子，这叫做碰撞电离；通常把能使气体发生电离的物质（例如紫外线、放射性等）叫做电离剂，电离剂能维持气体的非自持放电。用火焰将气体加热，而在足够高的温度下，由于热运动，气体分子相互碰撞也可以产生电离，这叫做热电离。

【暗放电】暗放电主要是非自持放电。关于暗放电的理论是英国物理学家J.S.汤生于1903年提出的，故这种放电也称为汤生放电。具体过程是：设外界催离素在阴极表面辐照出一个电子，这个电子向阳极方向飞行，并与分子频繁碰撞，其中一些碰撞可能导致分子的电离，得到一个正离子和一个电子。新电子和原有电子一起，在电场加速下继续前进，又能引起分子的电离，电子数目便雪崩式地增长（这称为电子繁流）。假使有n₀个电子从阴极脱离出来，这些电子向阳极运动时，由于碰撞产生的正离子回到阴极能使阴极释放出n₀个电子，这时不需外界影响只靠电场就能维持间隙中的电流，这种放电称为自持放电。

【法拉第暗区】1838年，法拉第将一根玻璃管内的空气抽去，将两根黄铜棒插到玻璃管里面作为电极。当通电的时候，法拉第发现，在两根黄铜分开的瞬间，出现了一种独特的放电现象：从负极发出一束光线，而正极却是暗的。加大两极之间的距离，则从正极向负极发出一束紫红色的光。距离越大，光束越长，且向负极移动，光束和负极之间总有一段暗区，而且长度几乎不变。这个暗区后来被称为法拉第暗区。