Ионы в газе и на поверхности катода

Характер движения положительных или отрицательных ионов в газе, находящемся в электрическом поле, такой же, как и электронов, однако скорости движения их значительно ниже, чем скорости движения электронов. Средняя скорость движения иона в отличие от средней скорости движения электрона определяется главным образом скоростью теплового движения. Так, например, при комнатной температуре скорость теплового движения ионов в

воздухе приблизительно равна 500 метрам в секунду, тогда как при наложении электрического поля напряженностью в 100 в/см скорость движения иона в направлении электрического поля равна всего лишь 2,2 м/сек. Это почти в 200 раз меньше, чем скорость теплового движения. Поэтому ионы по сравнению с электронами будут двигаться в направлении своего электрода чрезвычайно медленно.

При своем движении ион претерпевает очень большое число столкновений. Так, например, при движении иона в газе при атмосферном давлении он сталкивается миллиард раз в секунду с молекулами газа.

При этих столкновениях первичный ион может передать свой заряд молекуле такого же газа или молекуле какой-либо примеси, может присоединиться к молекуле, образовав сложный ион.

При подходе к поверхности металлического катода положительный ион (например, ион аргона) создает у этой поверхности электрическое поле очень большой напряженности (миллиарды вольт на один сантиметр). Но известно, что при напряженности электрического поля, равной примерно 30—50 млн. в/см,  из проводника выходят электроны. Поэтому при подходе к поверхности проводника на расстояние около 10 А положительный ион вырывает из проводника электрон. Это вырывание происходит без увеличения энергии электрона, то есть он выходит не через потенциальный барьер, а проходит сквозь него (так называемый туннельный переход). Этот электрон захватывается положительным ионом, который превращается при этом в нейтральный атом. Но в зависимости от энергии иона, атом может быть как в нормальном состоянии, так и в возбужденном.

Если энергия возбуждения атома будет выше удвоенной работы выхода металла, он может вырвать из металла еще один электрон. Последний окажется свободным и начнет свое движение к аноду. Так, например, для медного катода работа выхода равна 4—4,5 эв, а потенциал ионизации аргона около 15,7 эв. При подходе к катоду ион затратит 4,7 эв на вырывание электрона из металла.

Поэтому нейтрализовавшийся ион аргона останется в возбужденном состоянии с энергией около 11 эв. Следовательно, такой атом имеет возможность вырывать из металла еще один электрон, так как его энергия выше удвоенной работы выхода меди.