Warto przeczytać

Gaz to zbiór cząsteczek lub atomów, między którymi nie działają żadne siły, poza przypadkami, kiedy zderzają się one ze sobą. Dla uproszczenia rozważań, w niniejszym e‑materiale przyjmiemy, że mamy do czynienia z pojedynczymi atomami. Brak oddziaływań odróżnia ten stan skupienia materii od pozostałych i jest efektem bardzo dużej energii kinetycznej, którą mają atomy gazu. Prędkość, z jaką porusza się każdy z nich jest różna i ma wartość podlegającą rozkładowi statystycznemu, ale średnia prędkość wszystkich atomów jest ściśle powiązana z temperaturą gazu.

Mówiąc dokładniej, temperatura określana jest właśnie jako miara średniej energii kinetycznej ruchu atomów. W ciałach stałych i cieczach, to drgania wokół położenia równowagi, w gazach swobodne ruchy w całej dostępnej objętości naczynia. Im wyższa temperatura, tym większa średnia energia ruchów termicznych. Wyraża to wzór, który wyprowadzono w e‑materiale pod tytułem „Teoria kinetyczno‑molekularna gazu doskonałegogaz doskonałygazu doskonałego”:

gdzie $k$ jest stałą Boltzmanna, której wartość liczbowa wynosi $k=1,38\cdot 10^{-23}J/K$.

W warunkach normalnychwarunki normalnewarunkach normalnych gaz występuje w postaci obojętnych elektrycznie atomów. Każdy atom składa się z dodatnio naładowanego jądra i ujemnych elektronów, znajdujących się wokół jądra na powłokach elektronowych. Jeżeli elektron zostanie wybity z atomu na zewnątrz, atom staje się naładowanym dodatnio jonem, zwanym kationemkationkationem. Zjawisko to nazywa się jonizacją atomu.

Aby doszło do jonizacjijonizacjajonizacji, elektron musi uzyskać wystarczającą energię kinetyczną, by pokonać przyciąganie elektrostatyczne z jądrem atomowym. Minimalna przekazana energia, która wystarcza do zjonizowania atomu, nazywa się energią jonizacji. Wyraża się ją najczęściej w jednostkach zwanych elektronowoltami (eV), ze względu na wygodę często używanymi w fizyce mikroświata. 1 eV to energia, jaką uzyska elektron przyspieszany różnicą potencjałów równą 1 woltowi, czyli w przybliżeniu $1,6\cdot {10}^{-19}$ J.

Zastanówmy się, skąd może pochodzić energia potrzebna do jonizacjijonizacjajonizacji? Jej źródło może być zewnętrzne lub wewnętrzne. Zewnętrzne, to zderzenia wpadających w obszar gazu protonów lub cząstek promieniowania jonizującego (alfapromieniowanie alfaalfa, betapromieniowanie betabeta, gammapromieniowanie gammagamma) z atomami. Wewnętrzne, to zderzenia atomów, poruszających się bezładnymi ruchami termicznymi. Możemy sobie je w przybliżeniu wyobrażać jako zderzenia dwóch kul. Ważna jest więc łączna energia kinetyczna obu zderzających się atomów oraz kierunki, w jakich poruszają się przed zderzeniem. Należy zaznaczyć, że jeżeli dojdzie do jonizacji, suma energii kinetycznych atomów po zderzeniu nie będzie równa sumie energii kinetycznych przed zderzeniem, gdyż część energii potrzebna jest, by zjonizować atom. Zderzenie takie jest więc niesprężyste i nie można traktować go jak zderzenie kul bilardowych.

Prawdopodobieństwo zajścia jonizacji termicznej rośnie wraz z temperaturą, gdyż rośnie średnia energia kinetyczna ruchu atomów. Pamiętajmy jednak, że mówimy tu o średniej, co oznacza, że niektóre atomy mogą mieć bardzo dużą, a niektóre bardzo małą energię. A wiec nawet w bardzo małej temperaturze może dojść do pojedynczych zdarzeń jonizacji termicznej atomów gazu. Zdarzeń tych będzie jednak bardzo mało. Rozkład prędkości poszczególnych atomów wokół średniej jest bowiem nieliniowy. Najwięcej atomów ma prędkość zbliżoną do średniej. Im większe odchylenie od średniej, tym mniej jest atomów, które taką prędkość posiadają. Wzór statystyczny określający tę zależność nosi nazwę rozkładu Maxwellarozkład Maxwellarozkładu Maxwella.

Zauważmy, że im większa temperatura, tym gaz lepiej przewodzi prąd elektryczny – odwrotnie, niż metale.

Gdy temperatura gazu rośnie do wartości milionów kelwinów, gaz osiąga stan jonizacji całkowitej. Jest to tak zwana gorąca plazmagorąca plazmagorąca plazma, mieszanina jąder atomowych i elektronów. Plazma taka tworzy gwiazdy.

Słowniczek