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为了说明气体放电过释，首先必须了解气体中带电粒子产生、运动、消失的过程和条件。
1.气体中的运动
(1)自由行程长度
当气体中存在电场时，其中的带电粒子将具有复杂的运动轨，它们一方面与中性的气体粒子(原子或分子)一样，进行着混乱热运动，另一方面又将沿着电场作定向漂移(见图1-1)。
各种粒子在气体中运动时都会不断地互相碰撞，任一粒子在1cm的行程中所遭遇的碰撞次数与气体分子的半径和密度有关。单位行程中的碰撞次数Z的倒数入即为该粒子的平均自由行程长度。
实际的自行程长度是一个随机量，并具有很大的分散性。粒子的自由行程长度等于或大于某一距离x的概率为
可见，实际自由行程长度等于或大于平均自由行程长度的概率为36.8%，由于电子的半径或体积要比离子或气体分子小得多，所以电子的平均自由行程长度要比离子或气体分子大得多，由气体动力学可知，电子的平均自由行程长度为
式中r—气体分子的半径；
N—气体分子的密度。
出于
式中p——气压(Pa)；
T——气温(K)；
k——玻尔兹曼常数，k=1.38×10-23J/K。
在大气压和常温下，电子在空气中的平均自由行程长度的数量级为10-5cm。
(2)带电粒子的迁移率
带电粒子虽然不可避免地要与气体分子不断地发生碰撞，但在电场力的驱动下，仍将沿着电场方向漂移，其速度v与场强E成正比，其比例系数k=v/E称为迁移率，它表示该带电粒子在单位场强(1V/m)下沿电场方问的漂移速度。
由于电子的平均自由行程长度比离子大得多，而电子的质量比离子小得多，更易加速，所以电子的迁移率远大于离子。
(3)扩散
气体中带电粒子和中性粒子的运动还与粒子的浓度有关。在热运动的过程中，粒子会从浓度较大的区域运动到浓度较小的区域，从而使每种粒子的浓度分布均匀化，这种物理过程称为扩散。气压越低或温度越高，则扩散进行得越快。电子的热运动速度大、自由行程长度大，所以其扩散速度也要比离子快得多。
2. 带电粒子的产生
产生带电粒子的物理过程称为电离，它是气体放电的首要前提。
气体原子中的电子沿着原子核周围的圆形或椭圆形轨道，围绕带止电的原子核旋转。在常态下，电子处于离核最近的轨道上，因为这样势能最小。当原子获得外加能量时，一个或若干个电子有可能转移到离核较远的轨道上去，这个现象称为激励，产生激励所需的能量(激励能)等于该轨道和常态轨道的能级差。激励状态存在的时间很短(例如，10-8s)，电子将自动返回常态轨道上去，这时产生激励时所吸收的外加能量将以辐射能(光子)的形式放出。如果原子获得的外加能量足够大，电子还可跃迁至离核更远的轨道上去，甚至摆脱原子核的约束而成为自由电子，这时原来中性的原子发生了电离，分解成两种带电粒子——电子和正离子，使基态原子或分子中结合最松弛的那个电子电离出来所需的最小能量称为电离能。
表1-1列出了某些常见气体的激励能和电离能之值，它们通常以电子伏(eV)表示。由于电子的电荷qe恒等于1.6×10-19C，所以有时也可以采用激励电位从(V)和电离电位Ui(V)来代替激励能和电离能，以便在计算中排除qe值。
表1-1 某些气体的激励能和电离能
引起电离所需的能量可通过不同的形式传递给气体分子，诸如光能、热能、机械(动)能等，对应的电离过程称为光电离、热电离、碰撞电离等。
(1)光电离
频率为v的光子能量为
式中h—普朗克常数，h=6.63×10-34J·s=4.13×10-15eV·s。
发生空间光电离的条件应为
或者
式中λ——光的波长(m)；
C——光速，c=3×108m/s；
Wi——气体的电离能(eV)。
通过式(1-5)的计算可知，各种可见光都不能使气体直接发生光电离，紫外线也只能使少数几种电离能特别小的金属蒸气发生光电离，只有那些波长更短的高能辐射线(例如，X射线、γ射线等)才能使气体发生光电离。
应该指出：在气体放电中，能导致气体光电离的光源不仅有外界的高能辐射线，而且还可能是气体放电本身，例如在后面将要介绍的带电粒子复合的过程中，就会放出辐射能而引起新的光电离。
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