Прохождение заряженной частицы через газ приводит к передаче энергии от частицы к электронам, которые являются частью нормальной атомной структуры газа. Если заряженная частица проходит достаточно близко к определенному атому, передача энергии может быть достаточной для его возбуждения или ионизации. В процессе возбуждения электрон переходит из своего исходного состояния в менее плотно связанное состояние. Энергетические уровни в типичных атомах газа находятся на расстоянии всего нескольких электрон-вольт друг от друга, так что энергия, необходимая для возбуждения, составляет малую долю кинетической энергии типичных квантов излучения. Возбужденное состояние существует в течение определенного времени жизни, прежде чем атом распадется обратно в исходное основное энергетическое состояние. Типичное среднее время жизни возбужденных атомных состояний в газах обычно составляет всего несколько наносекунд. Когда атом спонтанно возвращается в основное состояние, энергия возбуждения высвобождается, как правило, в виде электромагнитного фотона. Длина волны электромагнитного излучения для типичных газов находится в ультрафиолетовой области спектра. Таким образом, для каждого образовавшегося возбужденного атома газа наблюдаемым результатом является появление ультрафиолетового фотона. Поскольку типичная заряженная частица создает тысячи возбужденных атомов на своем пути, в результате появляется вспышка ультрафиолетовых фотонов, возникающих на пути частицы. Некоторые детекторы, основанные на непосредственном восприятии этого ультрафиолетового света и известные как газовые сцинтилляторы, описаны ниже (см. ниже Scint
При близком столкновении падающей заряженной частицы с атомом газа может быть передана энергия, достаточная для полного удаления электрона. Это и есть процесс ионизации, в результате которого образуется ионная пара. Поскольку ионизированный атом является электронодефицитным, он несет чистый положительный электрический заряд и называется положительным ионом. Другой член ионной пары — электрон, который больше не связан с определенным атомом и известен как свободный электрон. Большинство свободных электронов образуется с низкой кинетической энергией, и они просто диффундируют через газ, участвуя в случайном тепловом движении всех атомов. Некоторые свободные электроны образуются с кинетической энергией, достаточной для того, чтобы вызвать дополнительное возбуждение и ионизацию. Они называются дельта-лучами, и их движение идет по коротким ветвям в сторону от первичной ионизации и возбуждения, которые возникают непосредственно на пути падающей заряженной частицы.
Потенциал ионизации, или минимальная энергия, необходимая для удаления электрона, составляет около 10 эВ для газов, обычно используемых в детекторах излучения. Для создания одной пары ионов требуется в среднем около 30 эВ энергии, потерянной падающей заряженной частицей. Остальная энергия расходуется в различных процессах возбуждения. Для заряженной частицы с энергией 1 МэВ, которая передает всю свою энергию газу, на ее пути образуется около 30 000 пар ионов. Как положительные ионы, так и свободные электроны можно заставить дрейфовать в нужном направлении, приложив внешнее электрическое поле. Именно движение этих зарядов служит основой для электрического сигнала, вырабатываемого важной категорией газонаполненных детекторов, к которой относятся ионные камеры, пропорциональные счетчики и детекторы Гейгера-Мюллера.
