Co je ionizace a jak k ní dochází? Pojem rozumíme jednoduchými slovy

vzdělání je pozitivní. a popřít. ionty a volné elektrony z elektricky neutrálních atomů a molekul. Termín “já.” označují jak elementární akt (aktivita atomu, molekuly), tak soubor mnoha takových aktů (aktivita plynu, kapaliny).

Ionizace v plynu a kapalině. K oddělení neutrálního, nevybuzeného atomu (nebo molekuly) na dva nebo více nábojů. ch-tsy, tedy pro jeho I., je nutné vynaložit energii I. W. Pro všechny atomy daného prvku (nebo molekuly dané chemické sloučeniny), ionizované ze základního stavu za vzniku identických iontů, je I. energie. stejný. Nejjednodušším úkonem I. je odštěpení jednoho elektronu z atomu (molekuly) a vznik atomu. Jonáš. Vlastnosti látky ve vztahu k takovému záření jsou charakterizovány jejím ionizačním potenciálem.

Připojení elektronů k neutrálu. atomy nebo molekuly (tvorba záporných iontů), na rozdíl od jiných aktů energie, může být doprovázena výdejem i výdejem energie; v druhém případě se říká, že atomy (molekuly) mají elektronovou afinitu.

Jestliže energii energie W předá ionizované částici jiná částice (elektron, atom nebo iont) při jejich srážce, pak se energie nazývá. poklep. Pravděpodobnost dopadu I., charakterizovaná tzv. průřez I. (viz EFEKTIVNÍ ČÁST), závisí na typu ionizovaných a bombardujících částic a na kinetice. energie posledního Ek: do určité minimální (prahové) hodnoty Ek je tato pravděpodobnost rovna nule, s nárůstem Ek nad prahovou hodnotu nejprve rychle roste, dosahuje maxima a poté klesá (obr. 1). Pokud jsou energie přenášené na ionizovatelné částice při srážkách dostatečně vysoké, je možné z nich vytvořit spolu s jednotlivě nabitými ionty i ionty násobně nabité (mnohonásobná ionizace, obr. 2). Při srážkách atomů a iontů s atomy může dojít k destrukci nejen bombardovaných, ale i bombardujících částic. Příchozí neutrální atomy, které ztrácejí své elektrony, se mění na ionty a náboj dopadajících iontů se zvyšuje; tento jev se nazývá „odstranění“ hromady h-ts. Opačným procesem je zachycení elektronů z ionizovaných částic přicházejícími částicemi. ionty – tzv výměna náboje iontů (viz ATOMOVÉ SRÁŽE).

Rýže. 1. Ionizace atomů a molekul vodíku dopadem elektronů: 1 – atomy H; 2 – Molekuly H2 (experimentální křivky).

Rýže. 2. Ionizace argonu He+ ionty. Na ose x je vynesena rychlost ionizujících částic. Čárkované křivky – ionizace argonu dopadem elektronů.

V definici za podmínek mohou být částice ionizovány i při srážkách, při kterých se přenáší energie menší než W: nejprve se atomy (molekuly) při primárních srážkách převedou do excitovaného stavu, po kterém k jejich ionizaci stačí předat energii rovna rozdílu mezi W a excitační energií . „Akumulace“ energie potřebné pro I. se tedy provádí v několika obdobích. sekvenční kolize. Podobně jako I. tzv. vykročil. Je to možné, pokud ke srážkám dochází tak často, že částice v intervalu mezi dvěma srážkami nestihne ztratit energii přijatou v první z nich (v dostatečně hustých plynech, vysokointenzivních tocích bombardujících částic). Mechanismus stupňovitého záření je navíc velmi důležitý v případech, kdy částice ionizované látky mají metastabilní stavy, to znamená, že jsou schopny zadržovat excitační energii po relativně dlouhou dobu.

I. mohou být způsobeny nejen částicemi přilétajícími zvenčí. Při dostatečně vysoké teplotě, kdy je energie tepelného pohybu atomů (molekul) vysoká, se mohou díky kinetice navzájem ionizovat. energie srážkových h-ts – dochází k tepelnému I To znamená. dosahuje intenzity například od teploty -103-104 K. v obloukových výbojích, rázových vlnách a hvězdných atmosférách. Tepelný stupeň Energie plynu jako funkce jeho teploty a tlaku se odhaduje podle Sakhova vzorce pro slabě ionizovaný plyn v termodynamickém stavu. váhy.

Procesy, při kterých ionizované částice přijímají energii z fotonů (kvanta elektromagnetického záření), se nazývají. fotoionizace. Pokud atom (molekula) není excitován, pak energie ionizujícího fotonu hn (n je frekvence záření) při přímém aktu záření nesmí být menší než energie záření W. Pro všechny atomy a molekuly plynů a kapalin W je taková, že tuto podmínku splňují pouze fotony UV a ještě kratší vlnové délky záření. Fotoionizace je však pozorována i při hn

Fyzický encyklopedický slovník. – M.: Sovětská encyklopedie. Šéfredaktor A. M. Prochorov. 1983.

– přeměna elektricky neutrálních atomových částic (atomů, molekul) v důsledku přeměny jedné nebo více z nich. elektrony v polo iontech a volné elektrony. Ionty mohou být také ionizovány, což vede ke zvýšení násobku jejich náboje. (Neutrální atomy a molekuly mohou ve speciálních případech přidat elektrony, asi záporné ionty. ) Termín “já.” označované jako elementární akt (energie atomu, molekuly) a souhrn souboru takových aktů (energie plynu i [cm 2] v závislosti na typu srážejících se částic, jejich kvantových stavech a rychlost relativního pohybu Při analýze kinetiky energie se používají pojmy rychlost a energie vs.v)>, charakterizující ionizační číslo, které může vyprodukovat jedna ionizující částice za 1 s:

Zde v– rychlost se vztahuje k pohybu a F(v)— funkce rozložení rychlosti ionizujících částic. Pravděpodobnost ionizace w i daného atomu (molekuly) za jednotku času při hustotě N počet ionizujících částic souvisí s rychlostí I. vztahem Rozhodující roli v plynech a plazmatu hraje dopad elektronů (srážky s kombin

Rýže. 1. Ionizace atomů a molekul vodíku dopadem elektronů; 1 – atomy H; 2 – molekuly H 2 (experimentální křivky); 3 – H atomy (teoretický výpočet, Bornova aproximace); 4 – Způsob platby

elektrony). Dominantním procesem je odstranění jednoho elektronu – odstranění jednoho (obvykle vnějšího) elektronu z atomu. Kinetický. energie ionizujícího elektronu musí být větší nebo rovna vazebné energii elektronu v atomu. Min. kinetickou hodnotu energie ionizujícího elektronu se nazývá. ionizační práh (limit). Průřez dopadu elektronů atomů, molekul a iontů je na prahu nulový a roste (přibližně lineárně) s rostoucí kinetikou. energie, dosahuje maximálních hodnot při energiích rovných několika (2-5) prahovým hodnotám, 0 = 0,529.10 -8 cm – poloměr Bora; R=13,6 eV-t. n. Rydbergova jednotka energie, rovna energii atomu vodíku ze zákl. státy (viz Rydbergova konstanta);E já — energie uvažovaného stavu atomu nebo iontu; nl – počet ekvivalentních elektronů v obalu atomu; l— hodnota orbitálního momentu počátku. elektronové stavy; hodnota u=(EE i )/E i je rozdíl v kinetice energie dopadajících elektronů E a práh ionizace E i vyjádřené v jednotkách E i . Funkce Ф(u) byly vypočteny a tabelovány pro velký počet atomů a iontů v [3]. Při vysokých energiích dopadajícího elektronu EдE i aplikováno poruchová teorie první řád (tzv Přiblížení narození). V tomto případě pro atom vodíku od báze. státní funkce

V oblastech nízké a střední energie dopadajícího elektronu (uхl) je nejdůležitější efekt ovlivňující hodnotu s i , je výměnný efekt spojený s identitou dopadajících a vyřazených elektronů z atomu [2]. Výpočet s i jednoelektronová ionizace v rámci poruchové teorie při zohlednění výměnného efektu vede u většiny atomů a iontů k uspokojivé shodě s experimentem [244] Zlepšení (a zkomplikování) výpočtových metod umožňuje popsat podrobnou strukturu ionizace. křivek, stejně jako rozložení uvolněných elektronů podle energie a úhlu rozptylu (tj. diferenciálního průřezu) Výše ​​zmíněnou rychlost I. (1) za předpokladu Maxwellova rozložení elektronů podle rychlosti lze znázornit v. formulář

kde b=E i/kT, T — temp-pa ionizujících elektronů. Funkce G(b) byly vypočteny a tabelovány v [3] pro velký počet atomů a iontů. Jak je vidět ze vzorců (2) a (4), s rostoucím nábojem iontu Z( ) průřez I. úměrně klesá. Z -4 , rychlost I.Jak se energie dopadajícího elektronu zvyšuje, je energeticky možné, aby byl jeden z elektronů vyřazen

Rýže. 3. Ionizace atomu vodíku protony: 1 – experimentální data; 2 – výpočet v Bornovi aproximaci; 3 – výpočet [7].

vnitřní skořápky ( K, L,. .. )multieelektronové atomy (nebo ionty). Odpovídající proudy a rychlosti jsou také popsány pomocí vzorců (2) a (4). Nicméně vytvoření volného místa v interní skořápka vede ke vzniku autoionizace. stav atomu, který je nestabilní a rozpadá se odstraněním jednoho nebo více z atomu. elektrony a fotonové záření (Augerův efekt). Ale průřez tohoto procesu je mnohem menší než průřez I. ext. skořápka, proto je v plazmatu dominantním mechanismem vzniku vícenásobně nabitých iontů sekvenční I. ext. skořápky.

V hustých plynech a s vysokou intenzitou toků bombardujících částic s kinetickou. energie i, tzv postupně I. Při první srážce se atomy přemění na vzrušený stav a při druhé srážce jsou ionizovány (dvoustupňové I.). Stupňovitě I. je možné pouze v případech tak častých srážek, že částice v intervalu mezi Obr. 4. Experimentální údaje o ionizaci atomů vodíku vícenásobně nabitými ionty uhlíku, dusíku a kyslíku [9] dvě srážky nestihnou ztratit (vyzařovat) energii, např. pokud atomy ionizované látky mají metastabilní stavy. Ionizace molekul dopadem elektronů se liší od ionizace atomů velkým množstvím různých typů. procesy. Pokud se molekulární systém zbývající po odstranění elektronu ukáže jako stabilní, liší se 2 (2) a pro atom H (1) přibližně dvakrát, což odpovídá rozdílu v počtu elektronů. i) nebyly experimentálně pozorovány. Průřezy atomů ozářených protony (obr. 3) a jinými ionty (obr. 4) jsou kvalitativně podobné průřezům dopadu atomových elektronů na stupnici rychlostí vzhledem k pohybu srážejících se částic. Ozáření je nejúčinnější, pokud se rychlost vztahuje k pohybu v řádu rychlosti orbitálních elektronů, tedy při energiích ionizujících iontů v řádu desítek keV (pro energii ze základního stavu atomů). Experiment a výpočet ukazují, že maximální hodnota průřezu atomu ionty úměrně roste s rostoucím nábojem iontu. výše poplatku. Při nižších rychlostech je mechanismus záření komplikován vznikem kvazi-molekuly při srážce, tedy redistribucí. elektrony mezi jádry srážejících se atomových částic. To může vést ke vzniku dalších maxim v oblasti nízkých rychlostí.

Rýže. 5. Ionizace molekulárního vodíku atomy vodíku (křivka 1) a protony (křivka 2).

Záření atomů a molekul při srážkách s neutrálními atomy se vysvětluje stejnými mechanismy jako při srážkách s ionty, je však zpravidla kvantitativně méně účinné. Na Obr. 5 jsou uvedeny pro srovnání ionizace. křivky pro ionizaci molekulárního vodíku atomy vodíku a protony. 1/137 — konstantní jemná struktura,w g je limitní čistota fotoionizace, w je frekvence fotonů a . Pro atom vodíku wg = 109678,758 cm-I (1 E). (Ve spektroskopii se frekvence často udává v „inverzních“ cm, tj. ~1216/l.) Blízko limitu fotoionizace (ww g bw g)

pryč od hranic (ww g dw g)

Průřez pro fotoionizaci z excitovaných stavů se s rostoucí h zmenšuje. kvantové číslo n úměrný n-5 (pro n/Z). Fotoionizační průřez s f souvisí s koeficientem.

Rýže. 6. Fotoionizace atomů alkalických kovů: lithium (1 – experimentovat; 2 – výpočet) a sodíku (3 – experiment;4 – výpočet).

fotoabsorpce fotonu s pevnou frekvencí takto:

Zde se součet přebírá všechny úrovně atomu, pro které je fotoionizace energeticky možná, a N n – hustota počtu atomů ve stavu n. Výpočet průřezů a porovnání s experimenty. údaje (včetně atomů, které nejsou podobné vodíku) jsou uvedeny v [9]. Fotoionizační průřez je o 2-3 řády nižší než s i při kolizích.

Fyzická encyklopedie. V 5 svazcích. – M.: Sovětská encyklopedie. Šéfredaktor A. M. Prochorov. 1988.

ionizace, tvorba kladných a záporných iontů a volných elektronů z elektricky neutrálních atomů a molekul. Pozitivní ionty vznikají odstraněním elektronu (nebo elektronů) z atomů a molekul. Ve zvláštních případech mohou neutrální atomy a molekuly získávat elektrony a vytvářet záporné ionty. Ionty mohou také podléhat ionizaci a jejich multiplicita se zvyšuje. Ionizací se rozumí jak elementární akt (ionizace atomu, molekuly), tak soubor mnoha takových aktů (ionizace plynu, kapaliny). K ionizaci může dojít při srážkách částic (kolizní, resp. nárazová, ionizace), vlivem elektromagnetického záření (fotoionizace), vlivem elektrického pole (ionizace pole). Ionizace, ke které dochází při interakci záření nebo částic uvnitř látky (prostředí), se nazývá objemová, na povrchu pevné látky nebo kapaliny – povrchová ionizace. Kladné a záporné ionty vznikají také elektrolytickou disociací.

Atomy a molekuly s mnoha elektrony v důsledku jednoho aktu ionizace nebo během po sobě jdoucích aktů ionizace mohou skončit v různých ionizovaných stavech, vyznačujících se mnohonásobností ionizace. Ionizační stav je indikován buď velikostí a znaménkem náboje (například O +, O 3 +, F e + 24, H 2 O −,, H_2O^-> O +, O 3 + ​, F e + 24 , H 2 ​ O − ), nebo v případě kladně nabitých iontů ve formě spektroskopického symbolu (například pro výše uvedené ionty kyslíku a železa: OII, OIV, F e XXVO II, OIV, F e XX V). Zde římská číslice označuje číslo, které je o jednu jednotku větší než náboj iontu. Číslo II odpovídá neutrálnímu atomu. Atomy mohou být ionizovány na jádra. Molekuly nejsou vysoce nabité, protože se stávají nestabilními a rozpadají se (disociují). Maximální možný záporný náboj iontu je určen jeho elektronovou afinitou a nepřesahuje tři elektronové náboje (viz Záporné ionty).

Při určité koncentraci nabitých částic se ionizovaný plyn mění v plazma, která se svými vlastnostmi výrazně liší od plynu neutrálních částic. Reverzním procesem ionizace je rekombinace iontů a elektronů – vznik neutrálních atomů a molekul z nich. Procesy ionizace a rekombinace hrají důležitou roli ve všech elektrických výbojích v plynech a v různých plynových výbojích.

Kolizní (nárazová) ionizace

Nejdůležitějším mechanismem ionizace v plynech a plazmatu je ionizace při srážce (dopadu) volného elektronu s nevybuzenými nebo excitovanými atomy nebo molekulami. K odstranění elektronu z atomu v základním stavu je nutné vynaložit ionizační energii rovnající se vazebné energii. Vazebná energie na úrovni země se pohybuje od minimální energie 3,89 eV pro cesium do maximální energie 24,59 eV pro helium. Volný elektron, který má energii větší (nebo stejnou) jako vazebná energie, při srážce s atomem (molekulou) z něj vyrazí jeden elektron a vytvoří se jednotlivě nabitý kladný iont. Minimální hodnota kinetické energie ionizujícího elektronu se nazývá práh ionizace. Elementární akt ionizace částicí (nebo fotonem) je charakterizován účinným ionizačním průřezem. Průřez se zvětšuje od nuly na prahové energii k určité maximální hodnotě a poté plynule klesá s rostoucí energií. V případě nárazové ionizace je průřez maximální pro odstranění vnějších valenčních elektronů a malý pro vnitřní elektrony. Pokud má volný elektron kinetickou energii dostatečnou k odstranění 2 nebo více elektronů z atomu, dochází k dvouelektronové nebo víceelektronové ionizaci. Ionizační průřez takových procesů je mnohem menší než jednoelektronový ionizační průřez.

Pokud je energie dopadajícího elektronu menší než práh ionizace, pak atom může přejít do excitovaného stavu a ionizovat se při další srážce s jiným elektronem. Tato ionizace se nazývá stupňovitá. Ionizace plynu se obvykle provádí v několika po sobě jdoucích srážkách (vícestupňová ionizace). Je to možné, pokud ke srážkám dochází tak často, že částice v intervalu mezi dvěma srážkami nestihne ztratit energii přijatou v předchozí srážce (dostatečně husté plyny, vysoce intenzivní toky bombardujících částic a záření). Vícestupňová ionizace je nezbytná, když částice ionizované látky mají metastabilní stav, tj. jsou schopny udržet excitační energii po relativně dlouhou dobu. S rychlým nárůstem počtu nosičů náboje, kdy dojde k dostatečně vysokému stupni ionizace média, dochází k elektrickému průrazu, médium se stává vodivým a odpor média prudce klesá. (Poměr počtu iontů k počtu neutrálních částic na jednotku objemu se nazývá stupeň ionizace.)

Při srážkách atomů a iontů s atomy může dojít k ionizaci nejen bombardovaných částic, ale i částic bombardujících. Dopadající neutrální atomy, ztrácející elektrony, se mění na ionty a náboj dopadajících iontů se zvyšuje. Tento proces se nazývá „stripování“ paprsku částic.

Tepelná ionizace

Ionizaci mohou způsobit nejen částice přilétající zvenčí. Při dostatečně vysoké teplotě, kdy je energie tepelného pohybu atomů (molekul) velká, se mohou při vzájemných srážkách navzájem ionizovat – dochází k tepelné ionizaci. Výrazné intenzity dosahuje při teplotách 10 3 –10 4 K např. v plameni, v obloukovém výboji, v rázových vlnách, ve hvězdných atmosférách. Stupeň tepelné ionizace plynu v závislosti na jeho teplotě a tlaku pro termodynamicky rovnovážné prostředí lze odhadnout pomocí Sahaova vzorce, podle kterého se stupeň ionizace kteréhokoli atomu zvyšuje s rostoucí teplotou a klesá s rostoucí koncentrací elektronů. V poměrně řídkém horkém médiu (například ve sluneční koroně) je stupeň ionizace plynu určen tvorbou nábojů v důsledku ionizace elektrony a zánikem nábojů v důsledku radiační a dielektronické rekombinace. Za těchto podmínek závisí stupeň ionizace média pouze na jeho teplotě, ale nezávisí na hustotě média, protože rychlosti ionizace a rekombinace stejně (proporcionálně) závisí na koncentraci elektronů.

Fotoionizace

V tomto případě nesmí být energie ionizujícího fotonu h ν hν h ν menší než ionizační energie (hhh je Planckova konstanta, ν ν ν je frekvence záření). U všech atomů a molekul plynů a kapalin tuto podmínku splňují pouze fotony ultrafialového záření a záření kratších vlnových délek. Fotoionizace hraje významnou roli např. v procesech ionizace horních vrstev atmosféry (ionosféry), při tvorbě streamerů při elektrickém rozpadu plynu apod. Vysokoenergetické fotony (rentgenové záření a γ γ γ kvanta) dokáže efektivně vytahovat elektrony nejen z vnějších, ale i z vnitřních elektronových obalů atomů.

Ionizace laserovým zářením

Frekvence laserového záření obvykle nestačí k tomu, aby absorpce jednoho fotonu způsobila ionizaci. Extrémně vysoká hustota toku fotonů v laserovém paprsku však umožňuje ionizaci díky současné absorpci několika fotonů (multifotonová ionizace). Například ve zředěných parách alkalických kovů byla pozorována ionizace s absorpcí 7–9 fotonů. V hustých plynech dochází kombinovaně k ionizaci laserovým zářením nepříliš vysoké intenzity. Za prvé, multifotonová ionizace uvolňuje „zárodečné“ elektrony. Od nich začíná lavinová ionizace. Elektrony urychlené polem světelné vlny rázově excitují atomy, které jsou následně ionizovány světlem, ale s pohlcením menšího počtu fotonů.

Ionizace v pevných látkách

Tento jev je proces přenosu elektronů z valenčního pásu krystalu do vodivostního pásu, v důsledku čehož se atomy pevné látky přeměňují na ionty. V případě atomů nečistot dochází k ionizaci, když ztratí nebo zachytí elektrony. Ionizační energie v pevné látce je řádově zakázaná. V krystalech s úzkým pásmem mohou elektrony získávat energii díky energii tepelných vibrací atomů (tepelná ionizace). Pokud je energie předaná elektronům, když jsou fotony absorbovány pevnou látkou, dostatečná pro ionizaci, je možná fotoionizace. K ionizaci dochází také tehdy, když tělesem prochází proud nabitých (elektrony, protony) nebo neutrálních (neutrony) částic. Nárazová ionizace v silném elektrickém poli působícím na pevnou látku je rovněž předmětem nezávislého zájmu. V takovém poli mohou elektrony podílející se na elektrické vodivosti ve vodivém pásu získat dostatečnou kinetickou energii k vyražení elektronů z valenčního pásma, kde se nepodílejí na elektrické vodivosti. V tomto případě se ve valenčním pásu vytvoří díry a ve vodivém pásu se místo každého „rychlého“ elektronu objeví dva „pomalé“, které se při zrychlení v poli mohou stát „rychlými“ a způsobit ionizaci. Pravděpodobnost dopadové ionizace se zvyšuje se zvyšující se intenzitou elektrického pole. Při určité kritické intenzitě rázová ionizace vede k prudkému nárůstu proudové hustoty, tj. k elektrickému rozpadu pevné látky.

Zveřejněno 6. června 2023 ve 17:59 (GMT+3). Naposledy aktualizováno 6. června 2023 ve 17:59 (GMT+3). Kontaktujte redakci