Іонізація
 
а б в г д е ж з и й к л м н о п р с т у ф х ц ч ш щ ъ ы ь э ю я
 

Іонізація

Іонізація, освіта позитивних і негативних іонів і вільних електронів з електрично нейтральних атомів і молекул. Терміном «І.» позначають як елементарний акт (І. атома, молекули), так і сукупність безлічі таких актів (І. газу, рідини).

загрузка...

  1) І. у газі і рідині. Для розділення нейтрального незбудженого атома (молекули) на дві або більш заряджені частки, тобто для його І., необхідно витратити енергію І. W. Для всіх атомів даного елементу (або молекул даної хімічної сполуки), іонізующихся з основного стану однаковим чином (з утворенням однакових іонів), енергія І. однакова. Простий акт І. — відщеплення від атома (молекули) одного електрона і утворення позитивного іона. Властивості частки по відношенню до такої І. характеризують її іонізаційним потенціалом, що є енергією І., ділену на заряд електрона.

  Приєднання електронів до нейтральних атомів або молекул (утворення негативного іона), на відміну від інших актів І., може супроводитися як витратою, так і виділенням енергії; у останньому випадку говорять, що атоми (молекули) даної речовини володіють спорідненістю до електрона .

  Якщо енергія І. W повідомляється іонізуємой частці іншою часткою (електроном, атомом або іоном) при їх зіткненні, то І. називається ударною. Вірогідність ударної І. (що характеризується ефективним поперечним перерізом І.) залежить від роду іонізуємих і бомбардуючих часток і від кінетичної енергії останніх E до : до деякого мінімального (порогового) значення E до ця вірогідність дорівнює нулю, при збільшенні E до вище за поріг вона спочатку швидко зростає, досягає максимуму, а потім убуває ( мал. 1 ). Якщо енергії, передавані іонізуємим часткам в зіткненнях, досить великі, можлива освіта з них, поряд з однозарядними, і багатозарядних іонів (багатократна І.) ( мал. 2 ). При зіткненнях атомів і іонів з атомами може відбуватися І. не лише часток, що бомбардуються, але і бомбардуючих. Це явище відоме під назвою «обдирки» пучка часток; налітаючі нейтральні атоми, втрачаючи свої електрони, перетворюються на іони, а в налітаючих іонів заряд збільшується. Зворотний процес — захват електронів від іонізуємих часток налітаючими позитивними іонами називається перезарядкою іонів (див. також Зіткнення атомні ).

  В певних умовах частки можуть іонізоваться і при зіткненнях, в яких передається енергія, менша W : спочатку атоми (молекули) збуджуються ударами, після чого для їх І. досить повідомити їм енергію, рівну різниці W і енергії збудження. Таким чином, «накопичення» необхідною для І. енергії здійснюється в декількох послідовних зіткненнях. Подібна І. називається ступінчастою. Вона можлива, якщо зіткнення відбуваються настільки часто, що частка в проміжку між двома зіткненнями не встигає втратити енергію, отриману в першому з них (досить щільні гази, високоінтенсивні потоки бомбардуючих часток). Крім того, механізм ступінчастої І. дуже существен у випадках, коли частки іонізуємого речовини володіють метастабільними станами, тобто здатні відносно довгий час зберігати енергію збудження.

  І. може викликатися не лише частками, що налітають ззовні. Коли енергія теплового руху атомів (молекул) речовини досить велика, вони можуть іонізовать один одного при взаємних зіткненнях — відбувається термічна І. Значительной інтенсивності вона досягає при температурах ~10 3 —10 4 K, наприклад в полум'ї, в дуговому розряді, ударних хвилях, в зоряних атмосферах. Міра термічної І. газу як функцію його температури і тиску можна оцінити з термодинамічних міркувань (див. Саха формула ).

  Процеси, в яких іонізуємиє частки отримують енергію І. від фотонів (квантів електромагнітного випромінювання), називають фотоіонізацією. Якщо атом (молекула) незбуджений, то енергія іонізующего фотона h n ( h Планка постійна, n — частота випромінювання) має бути не менше енергії І. W. Для всіх атомів і молекул в газах і рідинах W така, що цій умові задовольняють лише ультрафіолетові і жорсткіші фотони. Проте фотоіонізацію спостерігають і при h n < W, наприклад при опроміненні видимим світлом. Пояснюється це тим, що вона може мати характер ступінчастої І.: спочатку поглинання одного фотона збуджує частку, після чого взаємодія з наступним фотоном приводить до І. На відміну від ударної І., вірогідність фотоіонізації максимальна саме при пороговій енергії фотона h n < W , а потім із зростанням n падає. Максимум перетину фотоіонізації в 100—1000 разів менше чим при ударній І. Меньшая вірогідність компенсується в багатьох процесах фотоіонізації значною щільністю потоку фотонів, і число актів І. може бути дуже великим.

  Якщо різниця h n — W відносно невелика, то фотон поглинається в акті І. Фотони великих енергій (рентгенівські, g-кванті), витрачаючи при І. частина енергії D E , змінюють свою частоту на величину Dn = D E/h (див. Комптона ефект ). Такі фотони, проходячи через речовину, можуть викликати велике число актів фотоіонізації. Різниця D E W (або h n — W при поглинанні фотона) перетворюється на кінетичну енергію продуктів І., зокрема вільних електронів, які можуть здійснювати вторинні акти І. (вже ударною).

  Великий інтерес представляє І. лазерним випромінюванням. Його частота, як правило, недостатня для того, щоб поглинання одного фотона викликало І. Однако надзвичайно висока щільність потоку фотонів в лазерному пучку робить можливою І., обумовлену одночасним поглинанням декількох фотонів (багатофотонна І.). Експериментально в розріджених парах лужних металів спостерігалася І. з поглинанням 7—9 фотонів. У щільніших газах лазерна І. відбувається комбінованим чином. Спочатку багатофотонна І. звільняє декілька «приманках» електронів. Вони розганяються полем світлової хвилі, ударно збуджують атоми, які потім іонізуются світлом, але з поглинанням меншого числа фотонів.

  Фотоіонізація грає істотну роль, наприклад, в процесах І. верхніх шарів атмосфери (див. Іоносфера ), в утворенні стримерів при пробої електричному газу і так далі

  Іонізованниє гази і рідини володіють електропровідністю, що, з одного боку, лежить в основі всіляких вживань процесів І., а з іншого боку, дає можливість вимірювати міру І. цих середовищ, тобто відношення концентрації заряджених часток в них до вихідної концентрації нейтральних часток.

  Процесом, зворотним І., є рекомбінація іонів і електронів — освіта з них нейтральних атомів і молекул. Захищений від зовнішніх дій газ при звичайних температурах в результаті рекомбінації дуже швидко переходить в стан, в якому міра його І. нехтує мала. Тому підтримка помітної І. у газі можливо лише при дії зовнішнього іонізатора (потоки часток, фотонів, нагрівання до високої температури). При певній концентрації заряджених часток іонізованний газ перетворюється на плазму, що різко відрізняється за своїми властивостями від газу нейтральних часток.

  Особливість І. рідких розчинів полягає в тому, що в них молекули розчиненої речовини розпадаються на іони вже в самому процесі розчинення без жодного зовнішнього іонізатора, за рахунок взаємодії з молекулами розчинника. Взаємодія між молекулами приводить до мимовільної І. і в деяких чистих рідинах (вода, спирти, кислоти). Цей додатковий механізм І. у рідинах називається електролітичною дисоціацією .

  2) І. у твердому телі — процес перетворення атомів твердого тіла в заряджені іони, пов'язаний з переходом електронів з валентної зони кристала в зону провідності (в разі домішкових атомів — з втратою або захватом ними електронів). Енергія І. W в твердому телі має величину порядку ширини забороненої зони E (див. Тверде тіло ). У кристалах з вузькою забороненою зоною електрони можуть набувати W за рахунок енергії теплових коливань атомів (термічна І.); при фотоіонізації необхідні енергії повідомляються електронам фотонами, що проходять через тверде тіло (або що поглинаються в нім). І. відбувається також, коли через тіло проходить потік заряджених (електрони, протони) або нейтральних (нейтрони) часток.

  Особливий інтерес представляє ударна І. у сильному електричному полі, накладеному на тверде тіло. У такому полі електрони, що беруть участь в електропровідності у зоні провідність може придбати кінетичні енергії більші, ніж E , і «вибивати» електрони з валентної зони, де вони не беруть участь в електропровідності. При цьому у валентній зоні утворюються дірки, а в зоні провідності замість кожного «швидкого» електрона з'являється два «повільних», які, прискорюючись в полі, можуть, у свою чергу, стати «швидкими» і викликати І. Вероятность ударною І. зростає із зростанням напруженості електричного поля. При деякій критичній напруженості ударна І. приводить до різкого збільшення щільності струму, тобто до електричного пробою твердого тіла.

  Літ.: Грановський Ст Л., Електричний струм в газі. Сталий струм, М., 1971; Месси Р., Бархоп Е., Електронні і іонні зіткнення, пер.(переведення) з англ.(англійський), М., 1958; Енгель А., Іонізованниє гази, пер.(переведення) з англ.(англійський), М., 1959; Федоренко Н. Ст, Іонізація при зіткненнях іонів з атомами, «Успіхи фізичних наук», 1959, т. 68, ст 3; Атомні і молекулярні процеси, під ред. Д. Бейтса, пер.(переведення) з англ.(англійський), М., 1964; Вілесов Ф. І., Фотоіонізація газів і пари вакуумним ультрафіолетовим випромінюванням, «Успіхи фізичних наук», 1963, т. 81, ст 4; Райзер Ю. П., Пробій і нагрівання газів під дією лазерного променя, там же, 1965, т. 87, ст 1; Фізика твердого тіла, сб.(збірка) статей №2, М-код.—Л., 1959; Вул Би. М., Про пробій перехідних шарів в напівпровідниках, «Журнал технічної фізики», 1956, т. 26, в, 11; Келдиш Л. Ст, Кінетична теорія ударної іонізації в напівпровідниках, «Журнал експериментальної і теоретичної фізики», 1959, т.37, ст 3.

Мал. 1. Іонізація атомів і молекул водню електронним ударом: 1 — атоми H; 2 — молекули H 2 (експериментальні криві).

Мал. 2. Іонізація аргону іонами He+. На осі абсцис відкладена швидкість іонізующих часток. Пунктирні криві — іонізація аргону електронним ударом.