Ионизирующим агентом называется всякий физический деятель, обусловливающий ионизацию газа, или, в более широком смысле этого термина, всякий деятель, обусловливающий появление в данном объеме ионов различных категорий.
При этом необходимо иметь в виду, что действие ионизирующего агента на газ обычно не сопровождается непрерывным возрастанием числа ионов в единице объема газа, так как наряду с образованием ионов действуют и факторы, уменьшающие их число, например, так называемая рекомбинация ионов, т. е. воссоединение двух ионов разных знаков, имеющие своим результатом обратное образование нейтральной частицы. Обычно, в случае непрерывно действующего ионизирующего агента скоро наступает подвижное равновесие, при котором в единицу времени в каждом элементе объема газа столько ионов образуется вновь, сколько выбывает в силу рекомбинации, В особых случаях, однако, может иметь место столь быстрое нарастание числа ионов, что стационарное состояние не достигается (см. § 81).
Не претендуя на исчерпывающую полноту, ниже мы приводим перечень ионизирующих агентов, известных в настоящее время. Прежде всего мы перечислим ионизирующие агенты, могущие воздействовать непосредственно на газы, в объеме, ими занимаемом:
1. Рентгеновы лучи.
2. Ультрафиолетовые лучи.
3. Излучения радиоактивных веществ, т. е. так называемые a, b и g-лучи.
4. Космические лучи.
5. Электрическое поле, сила которого превышает некоторое значение, определяемое в каждом частном случае целым рядом обстоятельств: температурой, давлением, природой газа и т. д.
6. Высокая температура газа.
7. Коллизии, т. е. соударений частиц, газа. Известно, что в среде газа мы имеем дело с непрерывным движением частиц вещества (молекул газа). По теории вероятностей в данном объеме газа имеется некоторое, вообще говоря, очень незначительное, количество таких частиц, которые движутся с весьма большими скоростями, т. е. обладают сравнительно большим запасом кинетической энергии. Эти соударения особо быстро движущихся частиц газа с другими частицами могут, повидимому, в случае достаточной величины кинетической энергии сопровождаться, выбиванием электрона из нейтральной молекулы газа в связи с переходом известной границы в относительном расположении отдельных элементов, входящих в состав той сложной структуры, которую представляет собою атом вещества и его молекула. Таким образом, благодаря коллизии, из нейтральной молекулы газа может образоваться два иона: электрон и положительно заряженный остаток молекулы. Чем выше температура газа, тем больше скорости теплового движения молекул газа и тем становится больше вероятность расщепления нейтральной молекулы газа на два иона благодаря коллизии. Есть основание предполагать, что и при обычной комнатной температуре это явление, хотя и в сравнительно очень слабой степени, все же имеет место. Этим обстоятельством, помимо ионизирующего действия космических лучей и возможных следов радиоактивных веществ, вообще говоря, тоже весьма слабого, видимо, и объясняется всегда присущая газу в нормальных условиях чрезвычайно ничтожная проводимость (см. первые строки § 77). При высоких же температурах газовой среды роль коллизий, т. е. соударений молекул, выступает на первый план в качестве причины ионизации (п. 6 этого параграфа). В настоящее время не подлежит никакому сомнению, что и механизм ионизации сильным электрическим полем (п. 5 этого параграфа) по существу состоит в быстром нарастании числа коллизий, расщепляющих нейтральные молекулы на пары ионов. Дело в том, что ионы, всегда, как было только-что указано, имеющиеся в газе даже при нормальных условиях, под действием электрического поля, получают добавочные ускорения, и если длина свободного пути пробега ионов достаточно велика, что определяется давлением газа, эти начальные ионы могут приобрести столь
значительные приращения скорости движения и определяемой этим кинетической энергии, что становятся способными при соударении с встречающимися на пути нейтральными молекулами расщеплять их на пары ионов. Эти последние ионы в свою очередь под действием электрического поля приобретают большие скорости и расщепляют другие нейтральные молекулы и т. д. Та разность потенциалов, под влиянием которой ион приобретает приращение кинетической энергии, достаточное для расщепления встречной нейтральной молекулы, называется ионизирующим потенциалом и обозначается обычно через Ui. К расщеплению нейтральной молекулы газа на пары ионов под действием какого-либо „удара" сводится, вообще говоря, и воздействие на газ со стороны всех других ионизирующих агентов (пп. 1, 2, 3 и 4 настоящего параграфа). Во всех этих случаях мы имеем дело либо с каким-то импульсом, который получает нейтральная молекула при падении на нее достаточно мощного кванта лучистой энергии, либо с соударениями этой молекулы с очень быстро несущимися частицами некоторой физической материи (случай a и b лучей, испускаемых радиоактивными веществами).
После всего сказанного выше о ионизирующих агентах, проявляющих свое действие в объеме газа, мы продолжим перечень, распространительно понимая под термином „ионизирующий агент" всякий вообще фактор, обусловливающий появление ионов в газе. Это именно имеет отношение к целому ряду случаев, со стороны внешней обстановки характеризуемых соприкосновением газообразной среды с твердыми или жидкими телами.
8. Высокая температура твердых и жидких тел. Как показывает исчерпывающее обследование этого случая, из накаленных твердых и жидких тел выделяются в окружающее пространство так называемые термионы, прдставляющие собою не что иное, как, электроны. При очень высокой температуре электрода эти электроны выделяются из него весьма мощным потоком, играющим в ряде случаев большую роль при прохождении тока через газы и пустоту. Техническое значение этого источника ионов чрезвычайно велико (см. §§ 85, 86, 88 и 89). В естественных условиях сверхмощные потоки таких электронов излучаются находящимися при высокой температуре небесными светилами, например, солнцем. Попадая в верхние слои земной атмосферы, потоки излучаемых солнцем электронов вызывают разного рода свечения разреженных газов (северные сияния) и, вероятно, играют, сверх того, некоторую роль в качестве метеорологического фактора.
9. Фотоэлектрический эффект. Явление это, впервые тщательно изученное Столетовым, состоит, как теперь установлено, в следующем: если на поверхность твердого или жидкого тела падает поток лучистой энергии, то при определенных условиях от поверхностного слоя этого тела отщепляются электроны, которые и попадают в окружающее пространство. Они в этом случае называются фотоэлектронами. Если освещать очень тонкую пластинку с одной стороны, то электроны вылетают и с противоположной сто-
роны. Условие возникновения фотоэлектрического эффекта заключается в том, что не все лучи вызывают это явление и что пределы длин волн действующих лучей зависят от рода вещества, на поверхность которого они падают. Наиболее активными, вообще говоря, являются лучи малой длины волны (ультрафиолетовые и рентгеновы лучи), но щелочные металлы чувствительны и к видимым лучам, а при некоторых условиях — даже к инфракрасным лучам. Элементарный фотоэффект был тщательно изучен А. Ф. Иоффе, который действовал ультрафиолетовыми лучами на мельчайшие частицы твердых металлов и ртути, взвешенные в воздухе при наличии электрического поля и отчетливо наблюдал моменты отщепления от этих частиц отдельных электронов. Несомненно, что отмеченное в пп. 1, 2 и 3 настоящего параграфа ионизирующее действие на газы рентгеновых и ультрафиолетовых лучей, а также gm-лучей, испускаемых радиоактивными веществами, относится к категории фотоэлектрических действий на отдельные молекулы газа.
10. Химические реакции. Во многих случаях химических и электрохимических реакций, при которых выделяются газы, эти последние оказываются в большей или меньшей степени ионизированными. Пример подобного явления мы имеем при электролизе водных растворов кислот и щелочей. Повидимому, к этой же группе явлений следует отнести и давно известный факт, что воздух, приходящий в соприкосновение с фосфором, весьма заметно проводит ток, т. е. ионизирован.
11. Деформирование поверхности жидкости и твердого тела в атмосфере газа. Описанный в § 77 опыт с устранением сильной ионизации воздуха при пропускании его мелкими пузырьками через воду, собственно говоря, не сопровождается полным исчезновением ионизации. Она значительно ослабляется, но все же остается больше естественной ионизации воздуха при нормальных условиях. Как показывают тщательные исследования, воздух в подобных случаях получает добавочную ионизацию обычно не очень значительную. Кроме того, воздух оказывается обладающим избыточной электризацией того или иного знака в зависимости от степени чистоты воды и характера примесей к ней. К этой же группе явлений относится и обследованный впервые Ленардом факт ионизации воздуха у подножия водопадов, на берегу моря в случае сильного прибоя и т. п. Во всех этих случаях также имеет место избыток ионов того или другого знака в зависимости от примесей к воде. Все рассмотренное здесь применительно к воде имеет отношение и к случаю ряда других жидкостей и, между прочим, к случаю ртути. Вообще, по Дж. Дж. Томсону, всякое деформирование или нарушение поверхности жидкости и даже твердого тела может сопровождаться появлением ионов в окружающем газе. Следовательно, испарение жидкости и, в особенности, малых ее капель, повидимому, в некоторых случаях может порождать газовые ионы. Значение всего, сказанного в этом пункте, для области атмосферного электричества совершенно очевидно.
12. Ионная бомбардировка. Если у поверхности твердого или жидкого тела нормальная составляющая электрической силы имеет достаточно большое значение, то находящиеся в окружающем газе ионы соответствующего знака, приобретя скорость, превышающую некоторый предел, и ударяясь об эту поверхность, могут, как показывает опыт, выбивать из данного вещества электроны. Эти освобожденные электроны переходят в окружающую газовую среду, увеличивая в ней число носителей электричества, т. е. ионов. Подобная ионная бомбардировка возможна и в том случае, когда ионы приобретут достаточную кинетическую энергию и вдали от рассматриваемой поверхности, двигаясь далее по инерции. Отрицательный холодный электрод, находящийся в ионизированной газовой среде, будет испытывать бомбардировку со стороны тяжелых положительных ионов, и при этом его поверхность может начать испускать поток электронов. Электроны, ударяющиеся с достаточною скоростью о поверхность находящегося на их пути тела, могут вызвать выделение с поверхности его так называемых вторичных электронов. Сказанное в настоящем п. 12 имеет тесную связь с содержанием п. 7 данного параграфа.