[科普中國(guó)]-湯森理論

湯森理論是指解釋氣體放電機(jī)制的最早理論。由英國(guó)物理學(xué)家J.S.E.湯森于1903年提出。

簡(jiǎn)介湯森在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)兩平板電極之間所加電壓增大到一定值時(shí)，極板間隙的氣體中出現(xiàn)連接兩個(gè)電極的放電通道，使原來(lái)絕緣的氣體電離變成電導(dǎo)很高的氣體，有放電電流通過(guò)，間隙被擊穿。湯森用氣體電離的概念解釋這一現(xiàn)象。他設(shè)想有n0個(gè)自由電子在電場(chǎng)作用下由陰極向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)，只要電場(chǎng)足夠強(qiáng),電子在與氣體分子碰撞時(shí)會(huì)引起后者電離，發(fā)展成電子崩。若每個(gè)電子在電場(chǎng)中移動(dòng)單位距離時(shí)產(chǎn)生的電離次數(shù)為α(湯森電離系數(shù)),則可推知n0個(gè)自由電子在由陰極向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)中經(jīng)過(guò)距離n后將增加到n0e,而每個(gè)電子產(chǎn)生的正離子－電子對(duì)數(shù)為e-1。正離子在電場(chǎng)作用下向陰極運(yùn)動(dòng)，設(shè)每個(gè)正離子撞擊陰極時(shí)引起的電子發(fā)射（稱二次電子發(fā)射）的概率為r,則n0個(gè)自由電子引起電離后產(chǎn)生的二次電子數(shù)為rn0(e-1)。要使放電持續(xù)不斷，則需使rn0(e-1)=n0或r(e-1)=1，這就是湯森自持放電的條件，又稱湯森判別式1。

解釋對(duì)于不同間隙介質(zhì)都有不同的臨界擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度Ec（大氣中約30kV·cm）。間隙中的電場(chǎng)E低于Ec時(shí)，間隙不會(huì)擊穿。在湯森判別式中,電離系數(shù)α 隨外加電場(chǎng)強(qiáng)度E的增強(qiáng)而增大,因此電子的電離效應(yīng)也加強(qiáng)。α 值必須足夠大才能產(chǎn)生足夠的電離次數(shù)及離子數(shù)，滿足自持放電條件使間隙被擊穿。實(shí)際過(guò)程比這要復(fù)雜一些，例如間隙中空間電荷的積累會(huì)引起電場(chǎng)畸變；陰極表面還存在光電發(fā)射和其他粒子轟擊陰極表面的過(guò)程；間隙氣體中還有光電離和電附著作用等。雖然自持放電包括的過(guò)程比較復(fù)雜,但判別式的形式仍是其中rm為包括了各種陰極表面過(guò)程的二次電子發(fā)射概率，μ為氣體吸收系數(shù)。利用高速示波器可以測(cè)出放電發(fā)展過(guò)程中的電流變化。電流的周期性變化說(shuō)明間隙中電離、陰極發(fā)射電子等一次次的循環(huán)。不滿足自持條件時(shí)的放電，電流逐步減為零，此時(shí)間隙中氣體未擊穿，仍保持絕緣狀態(tài)。湯森理論只適用于氣壓比較低、氣壓與極距的乘積(Pn)比較小的情況2。

氣體放電1、氣體放電過(guò)程中一般存在六種基本粒子：電子，正離子，負(fù)離

子，光子，基態(tài)原子（或分子），激發(fā)態(tài)原子（或分子）。

2、光子能量,其中為光的頻率，h為普朗克常數(shù)。

3、原子能量由原子內(nèi)部所有粒子共同決定，通常人們感興趣的是原子最外層電子即價(jià)電子，因?yàn)闅怏w放電過(guò)程主要是由最外層電子參加的。原子通常處于穩(wěn)定的能級(jí)，成為基態(tài)（基態(tài)能量E1），當(dāng)價(jià)電子從外界獲得額外能量時(shí)，它可以跳躍到更高能級(jí)，此時(shí)原子處于激發(fā)態(tài)（激發(fā)態(tài)能量E2），電子處于激發(fā)態(tài)的時(shí)間很短，然后會(huì)躍遷到基態(tài)或低激發(fā)態(tài)，并以光子形式釋放出能量。

當(dāng)電子獲得的能量超過(guò)電離能時(shí)，電子就與原子完全脫離而成為自由電子，原子變?yōu)檎x子。

4、正離子也可被電離，負(fù)離子是電子附著到某些原子或分子上而

形成的。負(fù)離子的能量等于原子或分子的基態(tài)能量加上電子的親和能。氣體放電中的帶電粒子是電子和各種離子（正離子和負(fù)離子）。每種離子都將影響氣體放電的電特性，電子的作用通常占主導(dǎo)地位。

5、波數(shù)等于波長(zhǎng)的倒數(shù)，表示在真空中每厘米的波長(zhǎng)個(gè)數(shù)。

6、原子所處的狀態(tài)取決于其核外電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，可用四個(gè)量子數(shù)來(lái)描述3。

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

石季英 - 副教授 - 天津大學(xué)