Эффект Пеннинга

Процесс ионизации, впоследствии получивший название процесса Пеннинга, изучался А. А. Круиткофом, Ф. М. Пеннингом и М. Дж. Драйвестейном в 1937 году^[3][4], а сам эффект был объяснён Ф. М. Пеннингом в 1927 году. Исследовалась смесь газов, неона и аргона, причём к неону подмешивалось небольшое количество аргона (в концентрации порядка 0,01 %) с целью определения потенциала зажигания разряда в такой смеси. В ходе исследований обнаружилось, что незначительная добавка аргона значительно снижает потенциал зажигания заряда в неоне. Причину этого явления связали с появлением свободных электронов при столкновениях метастабильных атомов неона с атомами аргона. Для поджигания разряда в неоне до этого вначале атомы неона ионизировали в отсутствие примесей других газов. Было доказано, что понижение потенциала поджига разряда в смеси газов однозначно связано с добавлением атомов другого газа.

Исследование зависимости потенциала поджига разряда в смеси газов, в частности, неона и аргона, показало, что примесь второго газа вызывает появление свободных электронов в смеси из-за столкновений метастабильных атомов неона с атомами аргона. Поджиг разряда уже не требовал ионизации атомов неона, а лишь перевода их в метастабильное состояние, что и производилось в результате столкновений атомов неона с атомами аргона. Считая, что в низкотемпературной плазме всегда присутствуют возбуждённые атомы, можно сделать вывод о том, что возможна конкуренция процессов ионизации газа в результате столкновений их с атомами газа и процессом столкновения атомов газа со свободными электронами.

Общую схему взаимодействия возбуждённого атома и атомов смеси газов можно представить следующим образом:

${\displaystyle A^{*}+B\rightarrow {\begin{cases}A+B^{*}+e\;\;(I)\\A^{+}+B+e\;(II)\\AB^{+}+e\;\;\;\;\;(III)\end{cases}}}$,

где знак «*» означает возбуждённое состояние атома ${\displaystyle A}$.

Процесс ${\displaystyle (I)}$ эффективен, если энергия возбуждения атома ${\displaystyle A}$ больше энергии ионизации атома ${\displaystyle B}$;

Процесс ${\displaystyle (II)}$ эффективен, когда скорость столкновения атомов сравнима или превышает скорость возбуждённого электрона на атомной орбитали. В случае тепловой энергии это соответствует скоростям высоковозбуждённых атомов газов;

Процесс ${\displaystyle (III)}$ называют ассоциативной ионизацией, он протекает в случаях, когда энергия диссоциации образующегося молекулярного иона выше потенциала ионизации возбуждённого атома газа.

Частным случаем процесса ${\displaystyle (I)}$, если возбуждённый атом ${\displaystyle A^{*}}$ является метастабильным, называют процесс Пеннинга или эффектом Пеннинга.

Энергия возбуждения метастабильного атома ${\displaystyle A^{*}}$ при столкновении с атомом газа расходуется на ионизацию этого атома. Плотность метастабильных атомов в низкотемпературной плазме выше, так как они обладают большим временем жизни, особенно в смесях на основе инертных газов. В результате процесса Пеннинга изменяется электрическое состояние газоразрядной плазмы, поскольку в результе происходит изменение состояния метастабильных атомов и появляются свободные заряженные частицы — электроны. В качестве меры протекания процесса Пеннинга вводится т. н. константа скорости процесса Пеннинга. Её измеряли по поглощению резонансного излучения, частота которого соответствует переходу атома из метастабильного состояния в резонансно-возбуждённое, например:

• ${\displaystyle {{\ce {He(2^3S)}}}}$ (метастабильный) облучается фотонами с длиной волны ${\displaystyle 10830\;\mathrm {\AA} }$ для использования излучательных переходов ${\displaystyle {\ce {2^{3}S\rightarrow 2^{3}P}}}$, ${\displaystyle {\ce {2^{3}S\rightarrow 3^{3}P}}}$, ${\displaystyle {\ce {2^{3}S\rightarrow 4^{3}P}}}$;
• ${\displaystyle {{\ce {Ne(3^3P_2)}}}}$ (метастабильный) облучается фотонами с длиной волны ${\displaystyle 4650\;\mathrm {\AA} }$ для использования излучательных переходов ${\displaystyle {\ce {3^{3}P_{2}\rightarrow 3^{3}D_{3}}}}$;
• ${\displaystyle {{\ce {Kr(5^3P_2)}}}}$ (метастабильный) облучается фотонами с длиной волны ${\displaystyle 8106\;\mathrm {\AA} }$ для использования излучательных переходов ${\displaystyle {\ce {5^{3}P_{2}\rightarrow 5^{3}D_{3}}}}$, ${\displaystyle {\ce {2^{3}S\rightarrow 3^{3}P}}}$, ${\displaystyle {\ce {2^{3}S\rightarrow 4^{3}P}}}$.

Более современный метод измерения константы скорости процесса Пеннинга заключается в измерениях временного спада интенсивности свечения газовой смеси на определённом излучательном переходе после облучения импульсным пучком электронов высоких энергий (порядка ${\displaystyle \thicksim 600\,{\text{кэВ}}}$) при длительности воздействия пучков порядка наносекунд. Поскольку спад интенсивности свечения связан с временем разрушения возбуждённых атомов, что позволяет установить константу скорости процесса Пеннинга.

В современных устройствах, например, неоновых лампах, и других, используется смесь Пеннинга, в состав которой входит 98-99,5 % неона и 0,5-2 % аргона. Для разных цветов свечения используются и другие смеси Пеннинга — аргон-ксенон, аргон-ацетилен, гелий-ксенон, и другие. Используя разные смеси Пеннинга, можно получать источники свечения с разной длиной волны. Ещё одним применением эффекта Пеннинга является лазер Пеннинга, в котором в активную среду лазера добавляется вещество со специально подобранным под не потенциалом ионизации, меньшей энергии возбуждения нижнего лазерного уровня, например, использование перехода ${\displaystyle {\ce {Ne(2p_{1})\rightarrow Ne(1s_{2})\,+\,h\nu }}}$, где ${\displaystyle h\nu }$ — излучение лазера Пеннинга.