Процесс отрыва электрона от атома или молекулы называется ионизацией. При этом затрачивается некоторая энергия, которую принято измерять в электрон-вольтах.

В микропроцессах газового разряда возможен не только полный отрыв электрона от молекулы, но и переход электрона на более удаленную неустойчивую орбиту. Этот процесс называется возбуждением молекулы. Возбужденная молекула «живет» в течение времени порядка t = 10^-10 с, после чего происходит обратный переход электрона на устойчивую орбиту. Для молекулы также необходимо затратить энергию, которая излучается молекулой при переходе из возбужденного состояния в устойчивое.

Значения энергии или потенциала, необходимые для ионизации U_иониз. и возбуждения U_возб. молекул разных газов приведены в табл. 1.

Первый потенциал ионизации и первый потенциал возбуждения
молекул различных газов. Таблица 1.

Перечислим основные процессы, при которых молекулам в разрядном промежутке передается энергия, достаточная для ее ионизации или возбуждения.

Ударная ионизация. Ионизация при столкновении молекулы с электроном, ускоренным в электрическом поле, называется ударной ионизацией. В поле напряженности Е электрон, пробегая путь Х_и, приобретает кинетическую энергию

.

Приравнивая ЕХ_и потенциалу ионизации U_и, находим путь Х_и, который электрон должен свободно пролетать, чтобы ионизировать молекулу,

.

Аналогичный вид имеет формула для расчета пути Х_в, необходимого для возбуждения молекулы:

.

Схема ионизации молекулы при столкновении с электроном показана на рис. 1.

Рис. 1. Схема ударной ионизации

В результате ионизации возрастает число свободных электронов – происходит «размножение» электронов.

Фотоионизация возникает в результате поглощения молекулой квантов лучистой энергии, т.е. фотонов. Процесс фотоионизации схематически показан на рис. 2. Энергия фотона выражается формулой:

,

где n – частота излучения; h – постоянная Планка.

Чтобы, произошла фотоионизация должны выполняться следующие условия: ; .

Рис. 2. Схема ионизации фотона

Повышение частоты увеличивает способность фотона к ионизации. Наибольшей ионизирующей способностью обладают космические лучи, гамма излучения радиоактивного распада и световые волны ультрафиолетовой части спектра.

В газовом разряде источником фотонов, способных к ионизации, служат не только внешние излучатели, но и сами молекулы, участвующие в газовом разряде. В возбужденной молекуле электрон, смещенный на внешнюю неустойчивую орбиту, удерживается на ней в течение очень короткого времени – порядка 10^-10 с.

При возвращении электрона на устойчивую орбиту молекула излучает фотон, который способен вызвать фотоионизацию нейтральных или уже возбужденных других молекул газа. На рис. 3 показан процесс, включающий возбуждение молекулы газа в результате столкновения, излучение фотона при возврате электрона на устойчивую орбиту и ионизацию этим фотоном ранее возбужденной молекулы. Процесс ионизации вторичными фотонами играет решающую роль в формировании искрового разряда.

Рис. 3. Схема ионизации возбужденной молекулы