іонізація

Іоніз ація, освіту 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).

1) І. в газі і рідини. Для поділу нейтрального незбудженого атома (молекули) на дві або більше заряджені частинки, т. Е. Для його І., необхідно затратити енергію І. W. Для всіх атомів даного елемента (або молекул даного хімічної сполуки), іонізующей з основного стану однаковим чином (з утворенням однакових іонів), енергія І. однакова. Найпростіший акт І. - відщеплення від атома (молекули) одного електрона і освіту позитивного іона. Властивості частки по відношенню до такої І. характеризують її іонізаційним потенціалом , Які представляють собою енергію І., поділену на заряд електрона.

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

Якщо енергія І. W повідомляється іонізуемой частці іншого часткою (електроном, атомом або іоном) при їх зіткненні, то І. називається ударною. Імовірність ударної І. (що характеризується ефективним поперечним перерізом І.) залежить від роду іонізуемих і бомбардують частинок і від кінетичної енергії останніх E до: до деякого мінімального (порогового) значення E до ця ймовірність дорівнює нулю, при збільшенні E до вище порога вона спочатку швидко зростає, досягає максимуму, а потім зменшується (рис. 1). Якщо енергії, що передаються іонізуемим часткам в зіткненнях, досить великі, можливе утворення з них, поряд з однозарядними, і багатозарядних іонів (багаторазова І.) (рис. 2). При зіткненнях атомів і іонів з атомами може відбуватися І. не тільки бомбардований, але і бомбардують частинок. Це явище відоме під назвою «обдирання» пучка часток; налітають нейтральні атоми, втрачаючи свої електрони, перетворюються в іони, а у налітають іонів заряд збільшується. Зворотний процес - захоплення електронів від іонізуемих частинок налітав позитивними іонами називається перезарядженням іонів (Див. також зіткнення атомні ).

У певних умовах частинки 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» необхідної 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 бомбардують частинок). Крім того, механізм ступінчастою І. дуже істотний у випадках, коли частинки іонізуемого речовини мають метастабільними станами , Т. Е. Здатні відносно довгий час зберігати енергію збудження.

І. може викликатися не тільки частинками, налітав ззовні. Коли енергія теплового руху атомів (молекул) речовини досить велика, вони можуть ионизовать один одного при взаємних зіткненнях - відбувається термічна І. Значною інтенсивності вона досягає при температурах ~ 103-104K, наприклад в полум'я, в дугового розряду , ударних хвилях , В зоряних атмосферах. Ступінь термічної І. газу як функцію його температури і тиску можна оцінити з термодинамічних міркувань (див. Саха формула ).

Процеси, в яких іонізуемие частки отримують енергію І. від фотонів (квантів електромагнітного випромінювання), називають Фотоіонізація. Якщо атом (молекула) збудженому, то енергія іонізуючого фотона h n (h - планка постійна , N - частота випромінювання) повинна бути не менше енергії І. W. Для всіх атомів і молекул в газах і рідинах W така, що цій умові задовольняють лише ультрафіолетові і більш жорсткі фотони. Однак фотоионизацию спостерігають і при h n <W, наприклад при опроміненні видимим світлом. Пояснюється це тим, що вона може мати характер ступінчастою І .: спочатку поглинання одного фотона збуджує частку, після чого взаємодія з наступним фотоном приводить до І. На відміну від ударної І., ймовірність фотоионизации максимальна саме при порогової енергії фотона h n <W, а потім з ростом n падає. Максимум перетину фотоіонізації в 100-1000 разів менше, ніж при ударної І. Менша ймовірність 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 високих енергій (рентгенівські, g-кванти), витрачаючи при І. частина енергії D E, змінюють свою частоту на величину D n = 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 в кінетичну енергію продуктів І., зокрема вільних електронів, які можуть здійснювати вторинні акти І. (вже ударної).

Великий інтерес представляє І. лазерним випромінюванням. Його частота, як правило, недостатня для того, щоб поглинання одного фотона викликало І. Однак надзвичайно висока щільність потоку фотонів в лазерному пучку уможливлює І., обумовлену одночасним поглинанням декількох фотонів (Багатофотонні І.). Експериментально в розріджених парах лужних металів спостерігалася І. з поглинанням 7-9 фотонів. У більш щільних газах лазерна І. відбувається комбінованим чином. Спочатку Багатофотонні І. звільняє кілька «затравочних» електронів. Вони розганяють 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 освіті стримеров при пробої електричному газу і т. д.

Іонізованниє гази і рідини володіють електропровідністю , Що, з одного боку, лежить в основі різноманітних застосувань процесів І., а з іншого боку, дає можливість вимірювати ступінь І. цих середовищ, т. Е. Ставлення концентрації заряджених частинок в них до вихідної концентрації нейтральних частинок.

Процесом, зворотним І., є рекомбінація іонів і електронів - освіту з них нейтральних атомів і молекул. Захищений від зовнішніх впливів газ при звичайних температурах в результаті рекомбінації дуже швидко переходить в стан, в якому ступінь його І. нехтує мала. Тому підтримка помітною І. в газі можливо лише при дії зовнішнього іонізатора (потоки частинок, фотонів, нагрівання до високої температури). При певній концентрації заряджених частинок іонізований газ перетворюється в плазму , Різко відрізняється за своїми властивостями від газу нейтральних частинок.

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

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

Особливий інтерес представляє ударна І. в сильному електричному полі, накладеному на тверде тіло. В такому полі беруть участь в електропровідності електрони в зоні провідності можуть придбати кінетичні енергії більші, ніж E ¶, і «вибивати» електрони з валентної зони, де вони не беруть участі в електропровідності. При цьому в валентної зоні утворюються дірки , А в зоні провідності замість кожного «швидкого» електрона з'являється два «повільних», які, прискорюючись в поле, можуть, в свою чергу, стати «швидкими» і викликати І. Імовірність ударної І. зростає з ростом напруженості електричного поля. При деякої критичної напруженості ударна І. призводить до різкого збільшення щільності струму, т. Е. До електричного пробою твердого тіла.

Літ .: Грановський В. Л., Електричний струм в газі. Сталий струм, М., 1971; Мессі Г., Бархоп Е., Електронні і іонні зіткнення, пер. з англ., М., 1958; Енгель А., Іонізованниє гази, пров. з англ., М., 1959; Федоренко Н. В., Іонізація при зіткненнях іонів з атомами, «Успіхи фізичних наук», 1959, т. 68, ст. 3; Атомні і молекулярні процеси, під ред. Д. Бейтса, пров. з англ., М., 1964; Вілес Ф. І., Фотоіонізація газів і парів 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. статей, №2, М.-Л., 1959; Вул Б. М., Про пробої перехідних шарів в напівпровідниках, «Журнал технічної фізики», 1956, т. 26, в, 11; Келдиш Л. В., 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 H2 (експериментальні криві).

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