Джон Сили Таунсенд

Джон Сили Таунсенд (John Seely Townsend; 7 июня 1868, Голуэй, Ирландия — 16 февраля 1957, Оксфорд, Великобритания) — ирландский и британский физик, известный своими работами в области физики газового разряда, кинетической теории газов и ионизации. Ввёл в науку понятие «коэффициент Таунсенда», описывающее процесс ударной ионизации в газе, и разработал одну из первых моделей электрического пробоя газов (теория Таунсенда).

Биография

Джон Сили Таунсенд родился в семье профессора гражданского права Эдварда Таунсенда. Получил начальное образование в Королевском колледже в Голуэе, затем поступил в Тринити-колледж в Дублине, где изучал математику и физику. В 1890 году окончил колледж с отличием, получив степень бакалавра.

В 1894 году Таунсенд переехал в Кембридж, где начал работать в Кавендишской лаборатории под руководством Джозефа Джона Томсона. В 1895 году он стал одним из первых аспирантов, получивших стипендию от Тринити-колледжа. В 1897 году защитил докторскую диссертацию, посвящённую исследованию электрических свойств газов.

В 1900 году Таунсенд был назначен профессором физики в Оксфордском университете, где проработал до выхода на пенсию в 1941 году. В Оксфорде он основал научную школу, занимавшуюся физикой газового разряда и ионизацией. В 1903 году был избран членом Лондонского королевского общества (FRS).

Научные достижения

Коэффициент Таунсенда

Основной вклад Таунсенда в науку связан с изучением процессов ионизации газов под действием электрического поля. Он экспериментально установил, что при движении электронов в газе под действием электрического поля происходит их столкновение с нейтральными атомами или молекулами, что приводит к выбиванию дополнительных электронов. Этот процесс получил название ударной ионизации.

Таунсенд ввёл коэффициент α (альфа), который описывает число ионизаций, производимых одним электроном на единице пути в газе. Этот коэффициент, известный как первый коэффициент Таунсенда, является ключевым параметром в теории газового разряда. Он зависит от рода газа, его давления и напряжённости электрического поля.

Теория электрического пробоя газов

На основе своих исследований Таунсенд разработал теорию, объясняющую механизм электрического пробоя в газе при низких давлениях (теория Таунсенда). Согласно этой теории, пробой возникает в результате лавинообразного размножения электронов за счёт ударной ионизации. При достижении определённого напряжения (напряжения пробоя) количество электронов в лавине становится достаточным для образования проводящего канала.

Таунсенд также ввёл второй коэффициент γ (гамма), описывающий эмиссию электронов с катода под действием положительных ионов и фотонов. Этот коэффициент учитывает вторичные процессы, необходимые для поддержания разряда. Теория Таунсенда хорошо описывает пробой в газах при малых давлениях и малых расстояниях между электродами.

Экспериментальные исследования

Таунсенд провёл серию точных экспериментов по измерению подвижности ионов в газах, а также по определению коэффициентов диффузии и рекомбинации. Он разработал методы измерения коэффициента α и исследовал его зависимость от давления и напряжённости поля. В частности, он установил, что для большинства газов при низких давлениях коэффициент α пропорционален давлению газа.

В 1915 году Таунсенд опубликовал монографию «Электричество в газах» (Electricity in Gases), которая стала одним из первых систематических изложений физики газового разряда. В этой работе он обобщил свои теоретические и экспериментальные результаты.

Влияние и наследие

Работы Таунсенда заложили основы современной физики газового разряда и плазмы. Его теория ударной ионизации и коэффициенты Таунсенда широко используются при расчёте газоразрядных приборов, таких как газовые лазеры, газоразрядные лампы, счётчики Гейгера — Мюллера и ионизационные камеры.

Теория Таунсенда, однако, имеет ограничения: она не полностью описывает пробой при атмосферном давлении и больших расстояниях, где доминируют стримерные механизмы (теория стримеров, развитая Дж. Миком и Л. Лёбом). Тем не менее, для низких давлений и коротких промежутков она остаётся точной и широко применяется в инженерной практике.

Таунсенд также внёс вклад в развитие экспериментальной физики, разработав методы измерения ионизационных коэффициентов, которые используются до сих пор.

Избранные труды

• The Theory of Ionization of Gases by Collision (1910)
• Electricity in Gases (1915)
• The Motion of Electrons in Gases (1925) — в соавторстве с В. А. Бейли
• Electrons in Gases (1947)

Признание

• Член Лондонского королевского общества (1903)
• Медаль Хьюза (1914) — за исследования в области физики газового разряда
• Премия Румфорда (1920) — за работы по ионизации газов
• Почётный член ряда научных обществ, включая Американскую академию искусств и наук

Интересные факты

• В честь Джона Сили Таунсенда назван кратер на обратной стороне Луны (кратер Таунсенд, диаметр около 36 км).
• Таунсенд был одним из первых, кто применил математические методы к описанию процессов ионизации, что позволило перевести физику газового разряда из эмпирической области в теоретическую.
• В Оксфорде он основал лабораторию, которая впоследствии стала известна как Таунсендовская лаборатория физики газового разряда.

Источники

• Dictionary of Scientific Biography. Charles Scribner's Sons, 1970–1980.
• The Life and Work of John Seely Townsend. Oxford University Press, 1958.
• Electrical Breakdown in Gases by J. M. Meek and J. D. Craggs, 1953.
• Townsend, John Seely // Encyclopædia Britannica, 11th ed., 1911.