ИОНИЗАЦИЯ

образование положит. и отрицат. ионов и свободных эл-нов из электрически нейтральных атомов и молекул. Термином «И.» обозначают как элементарный акт (И. атома, молекулы), так и совокупность множества таких актов (И. газа, жидкости).

Ионизация в газе и жидкости. Для разделения нейтрального невозбуждённого атома (или молекулы) на две или более заряж. ч-цы, т. е. для его И., необходимо затратить энергию И. W. Для всех атомов данного элемента (или молекул данного хим. соединения), ионизующихся из основного состояния с образованием одинаковых ионов, энергия И. одинакова. Простейший акт И.— отщепление от атома (молекулы) одного эл-на и образование положит. иона. Свойства ч-цы по отношению к такой И. характеризуются её ионизационным потенциалом.

Присоединение эл-нов к нейтр. атомам или молекулам (образование отрицат. ионов), в отличие от др. актов И., может сопровождаться как затратой, так и выделением энергии; в последнем случае говорят, что атомы (молекулы) обладают сродством к электрону.

Если энергия И. W сообщается ионизуемой ч-це др. ч-цей (эл-ном, атомом или ионом) при их столкновении, то И. наз. ударной. Вероятность ударной И., характеризуемая т. н. сечением И. (см. СЕЧЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОЕ), зависит от рода ионизуемых и бомбардирующих частиц и от кинетич. энергии последних Ек: до нек-рого минимального (порогового) значения Ек эта вероятность равна нулю, при увеличении Ек выше порога она вначале быстро возрастает, достигает максимума, а затем убывает (рис.1). Если энергии, передаваемые ионизуемым ч-цам в столкновениях, достаточно велики, возможно образование из них, наряду с однозарядными, и многозарядных ионов (многократная И., рис. 2). При столкновениях атомов и ионов с атомами может происходить И. не только бомбардируемых, но и бомбардирующих ч-ц. Налетающие нейтр. атомы, теряя свои эл-ны, превращаются в ионы, а у налетающих ионов заряд увеличивается; это явление наз. «обдиркой» пучка ч-ц. Обратный процесс — захват эл-нов от ионизуемых ч-ц налетающими положит. ионами — наз. перезарядкой ионов (см. СТОЛКНОВЕНИЯ АТОМНЫЕ).

Рис. 1. Ионизация атомов и молекул водорода электронным ударом: 1 — атомы Н; 2 — молекулы Н2 (эксперим. кривые).

Рис. 2. Ионизация аргона ионами Не+. На оси абсцисс отложена скорость ионизирующих ч-ц. Пунктирные кривые — ионизация аргона электронным ударом.

В определ. условиях ч-цы могут ионизоваться и при столкновениях, в к-рых передаётся энергия, меньшая W: сначала атомы (молекулы) в первичных соударениях переводятся в возбуждённое состояние, после чего для их И. достаточно сообщить им энергию, равную разности W и энергии возбуждения. Т. о., «накопление» необходимой для И. энергии осуществляется в неск. последоват. столкновениях. Подобная И. наз. ступенчатой. Она возможна, если столкновения происходят столь часто, что ч-ца в промежутке между двумя соударениями не успевает потерять энергию, полученную в первом из них (в достаточно плотных газах, высокоинтенсивных потоках бомбардирующих ч-ц). Кроме того, механизм ступенчатой И. очень существен в случаях, когда ч-цы ионизуемого в-ва обладают метастабилъными состояниями, т. е. способны относительно долгое время сохранять энергию возбуждения.

И. может вызываться не только ч-цами, налетающими извне. При достаточно высокой темп-ре, когда энергия теплового движения атомов (молекул) велика, они могут ионизовать друг друга за счёт кинетич. энергии сталкивающихся ч-ц — происходит термическая И. Значит. интенсивности она достигает, начиная с темп-р —103—104 К, напр. в дуговом разряде, ударных волнах, в звёздных атмосферах. Степень термич. И. газа как ф-ция его темп-ры и давления оценивается Саха формулой для слабоионизованного газа в состоянии термодинамич. равновесия.

Процессы, в к-рых ионизуемые ч-цы получают энергию И. от фотонов (квантов эл.-магн. излучения), наз. фотоионизацией. Если атом (молекула) не возбуждён, то энергия ионизующего фотона hn (n — частота излучения) в прямом акте И. должна быть не меньше энергии И. W. Для всех атомов и молекул газов и жидкостей W такова, что этому условию удовлетворяют лишь фотоны УФ и ещё более коротковолнового излучения. Однако фотоионизацию наблюдают и при hn

Если разность hn-W относительно невелика, то фотон поглощается в акте И. Фотоны больших энергий (рентгеновские, g-кванты), затрачивают при И. часть своей энергии (изменяя свою частоту). Такие фотоны, проходя через в-во, могут вызвать значит. число актов фотоионизации. Разность DE-W (или hn-W при поглощении фотона) превращается в кинетич. энергию продуктов И., в частности свободных эл-нов, к-рые могут совершать вторичные акты И. (уже ударной).

Большой интерес представляет И. лазерным излучением. Его частота обычно недостаточна для того, чтобы поглощение одного фотона вызвало И. Однако чрезвычайно высокая плотность потока фотонов в лазерном пучке делает возможной И., обусловленную одновременным поглощением неск. фотонов (многофотонная И.). Экспериментально в разреженных парах щелочных металлов наблюдалась И. с поглощением 7—9 фотонов. В более плотных газах И. лазерным излучением происходит комбиниров. образом. Сначала многофотонная И. освобождает неск. «затравочных» эл-нов. Они разгоняются полем световой волны, ударно возбуждают атомы, к-рые затем ионизуются светом (см. СВЕТОВОЙ ПРОБОЙ). Фотоионизация играет существ. роль, напр., в процессах И. верхних слоев атмосферы, в образовании стримеров при электрич. пробое газа.

И. атомов и молекул газа под действием сильных электрич. полей (=107 —108 В*см-1), наз. автоионизацией, используется в ионном проекторе и электронном проекторе.

Ионизованные газы и жидкости обладают электропроводностью, что, с одной стороны, лежит в основе их разл. применений, а с другой — даёт возможность измерять степень И. этих сред, т. е. отношение концентрации заряж. ч-ц в них к исходной концентрации нейтр. ч-ц.

Процессом, обратным И., явл. рекомбинация ионов и эл-нов — образование из них нейтр. атомов и молекул. Защищённый от внеш. воздействий газ при обычных темп-pax в результате рекомбинации очень быстро переходит в состояние, в к-ром степень его И. пренебрежимо мала. Поэтому поддержание заметной И. в газе возможно лишь при действии внеш. ионизатора (потоки ч-ц, фотонов, нагревание до высокой темп-ры). При повышении степени И. ионизов. газ превращается в плазму, резко отличающуюся по своим св-вам от газа нейтр. ч-ц.

Особенность И. жидких р-ров состоит в том, что в них молекулы растворённого в-ва распадаются на ионы уже в самом процессе растворения без всякого внеш. ионизатора, за счёт вз-ствия с молекулами растворителя. Вз-ствие между молекулами приводит к самопроизвольной И. и в нек-рых чистых жидкостях (вода, спирты, кислоты). Этот дополнит. механизм И. в жидкостях наз. электролитической диссоциацией.

Ионизация в твёрдом теле — процесс превращения атомов тв. тела в заряж. ионы, связанный с переходом эл-нов из валентной зоны кристалла в проводимости зону. Энергия И. W в тв. теле имеет величину порядка ширины запрещённой зоны ?g (см. ТВЁРДОЕ ТЕЛО). В кристаллах с узкой запрещённой зоной эл-ны могут приобретать W за счёт энергии тепловых колебаний атомов (термическая И.); при фотоионизации необходимые энергии сообщаются эл-нам проходящими через тв. тело (или поглощаемыми в нём) фотонами. И. происходит также, когда через тело проходит поток заряженных (эл-ны, протоны) или нейтральных (нейтроны) ч-ц.

Особый интерес представляет И. в сильном электрич. поле, наложенном на тв. тело. В таком поле эл-ны в зоне проводимости могут приобрести кинетич. энергии, большие, чем ?g, и «выбивать» эл-ны из валентной зоны (т. н. ударная И.). При этом в валентной зоне образуются дырки, а в зоне проводимости вместо каждого «быстрого» эл-на появляются два «медленных», к-рые, ускоряясь в поле, могут также стать «быстрыми» и вызвать И. Вероятность ударной И. возрастает с ростом напряжённости электрич. поля. При нек-рой критич. напряжённости ударная И. приводит к резкому увеличению плотности тока, т. е. к электрич. пробою тв. тела (см. ПРОБОЙ ДИЭЛЕКТРИКОВ).

Физический энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия.Главный редактор А. М. Прохоров.1983.

ИОНИЗАЦИЯ

- превращение электрически нейтральных атомных частиц (атомов, молекул) в результате превращения из них одного или неск. электронов в поло ионы и свободные электроны. Ионизовываться могут также и ионы, что приводит к повышению крат их заряда. (Нейтральные атомы и молекулы мо особых случаях и присоединять электроны, об отрицательные ионы. )Термином "И." обозна как элементарный акт (И. атома, молекулы), исовокупность множества таких актов (И. газа, фотоионизация); ионизация полем; И. при взаимодействии с поверхностыо твёрдого тела ( поверхностная ионизация); ниже рассматриваются первые два типа И. Столкновнтельная ионизация является важнейшим механизмом И. в газах и плазме. Элементарный акт И. характеризуется эфф. сечением ионизации s_i[см ²], зависящим от сорта сталкивающихся частиц, их квантовых состояний и скорости относительного движения. При анализе кинетики И. используются понятия скорости И. <vs_i(v)>, характеризующей число ионизации, к-рое может произвести одна ионизующая частица в 1 с:
ИОНИЗАЦИЯ фото №3
Здесь v- скорость относит, движения и F (v) - ф-ция распределения по скоростям ионизующих частиц. Вероятность ионизации w_i данного атома (молекулы) в единицу времени при плотности N числа ионизующих частиц связана со скоростью И. соотношением ИОНИЗАЦИЯ фото №4 Определяющую роль в газах и плазме играет И. электронным ударом (столкновения со сводными
ИОНИЗАЦИЯ фото №5
Рис. 1. Ионизация атомов и молекул водорода электронным ударом; 1 - атомы Н; 2 - молекулы Н ₂ (экспериментальные кривые); 3 - атомы Н (теоретический расчёт, приближение Борна); 4 - расчёт

электронами). Доминирующим процессом является одноэлектронная И.- удаление из атома одного (обычно внеш.) электрона. Кинетич. энергия ионизующего электрона при этом должна быть больше или равна энергии связи электрона в атоме. Мин. значение кинетич. энергии ионизующего электрона наз. порогом (границей) ионизации. Сечение И. атомов, молекул и ионов электронным ударом равно нулю в пороге, возрастает (приблизительно по линейному закону) с ростом кинетич. энергии, достигает макс, значения при энергиях, равных нескольким (2-5) пороговым значениям, автоионизационных состояний либо И. внутр. оболочек атома. Последние процессы можно рассматривать независимо, поскольку их вклад в И. связан с др. электронными оболочками атома.
ИОНИЗАЦИЯ фото №6
Рис. 2. Ионизация атомов Zn электронным ударом вблизи порога.

Наряду с одноэлсктронпои И. возможно удаление двух и более электронов в одном акте столкновения при условии, что кинетич. энергия больше или равна соответствующей энергии И. Сечение этих процессов в неск. раз (для двух- и трёхэлектронных) или на неск. порядков величины (для многоэлектронных процессов) меньше сечений одноэлектронной И. Поэтому в кинетике И. газов и плазмы осн. роль играют процессы одноэлектронной И. п одноэлектронного возбуждения автоионизац. состояний. ИОНИЗАЦИЯ фото №7
где а ₀=0,529.10^-8 см - Бора радиус; R=13,6 эВ -т. н. ридбергова единица энергии, равная энергии И. атома водорода из осн. состояния (см. Ридберга постоянная);E_i - энергия И. рассматриваемого состояния атома или иона; n_l - число эквивалентных электронов в оболочке атома; l- значение орбитального момента нач. состояния электрона; величина u=(E-E_i)/E_i есть разность кинетич. энергии налетающего электрона Eи порога ионизации E_i, выраженная в единицах E_i. Ф-ции Ф(u)вычислены и табулированы для большого количества атомов и ионов в [3]. При больших энергиях налетающего электрона EдE_i применяется возмущений теория первого порядка (т. н. борновское приближение). В этом случае для И. атома водорода из осн. состояния ф-ция
ИОНИЗАЦИЯ фото №8
В областях малых и средних энергии налетающего электрона (uхl) важнейшим эффектом, влияющим на величину s_i, является эффект обмена, связанный с тождественностью налетающего и выбитого из атома электронов [2]. Расчёт s_i одноэлектронной И. в рамках теории возмущений с учётом эффекта обмена приводит к удовлетворит, согласию с экспериментом для большинства атомов и ионов [244].Усовершенствование (и усложнение) методов расчёта позволяет описать детальную структуру ионизац. кривых, а также распределение освободившихся электронов по энергии и углу рассеяния (т. и. дифференц. сечения).Указанная выше скорость И. (1) в предположении максвелловского распределения электронов по скоростям может быть представлена в виде
ИОНИЗАЦИЯ фото №9
где b=E_i/kT, T - темп-pa ионизующих электронов. Ф-ции G(b) вычислены и табулированы в [3] для большого числа атомов и ионов. Как видно из формул (2)и (4), с повышением заряда иона Z( ИОНИЗАЦИЯ фото №10 ) сечение И. убывает пропорц. Z^-4, аскорость И. ИОНИЗАЦИЯ фото №11 С повышением энергии налетающего электрона энергетически возможно выбивание одного из электронов
ИОНИЗАЦИЯ фото №12
Рис. 3. Ионизации атома водорода протонами: 1 - экспериментальные данные; 2 - расчёт в приближении Борна; 3 - расчёт [7].

внутр. оболочек ( К, L, . .. )многоэлектронных атомов (или ионов). Соответствующие течения и скорости И. описываются также ф-лами (2) и (4). Однако создание вакансии во внутр. оболочке приводит к образованию автоионизац. состояния атома, к-рое неустойчиво и распадается с удалением из атома одного или неск. электронов и излучением фотонов (оже-эффект). Но сечения этого процесса много меньше сечения И. внеш. оболочки, поэтому в плазме доминирующим механизмом образования многозарядных ионов является последовательная И. внеш. оболочек.
ИОНИЗАЦИЯ фото №13
В плотных газах и при высокоинтенсивных потоках бомбардирующих частиц, обладающих кинетич. энергией _i, возможна т. н. ступенчатая И. В первом соударении атомы переводятся в возбужденное состояние, а во втором соударении ионизуются (двухступенчатая И.). Ступенчатая И. возможна только в случаях столь частых соударений, что частица в промежутке междуРис. 4. Экспериментальные данные по ионизации атомов водорода многозарядными ионами углерода, азота и кислорода [9].двумя соударениями не успевает потерять (излучить) энергию, напр, если атомы ионизуемого вещества обладают метастабильными состояниями. Ионизация молекул электронным ударом отличается от И. атомов большим числом разл. процессов. Если молекулярная система, остающаяся после удаления электрона, оказывается устойчивой, ион; в противном случае система диссоциирует с образованием атомных ионов. Число возможных процессов И. с диссоциацией молекул возрастает с увеличением числа атомов в молекуле и в случае многоатомных молекул приводит к образованию большого числа осколочных ионов. Наиб, детально экспериментально и теоретически изучена И. двухатомных молекул. Из рис. 1 видно, что при больших энергиях электрона (в области борцовского приближения) ионизац. кривые для молекулы Н ₂ (2) и для атома Н (1) отличаются примерно в два раза, что соответствует различию в числе электронов. _i) экспериментально не наблюдались. Сечения И. атомов протонами (рис. 3) и др. ионами (рис. 4) качественно подобны сечениям И. электронным ударом в масштабе скоростей относит, движения сталкивающихся частиц. И. максимально эффективна, когда скорость относит, движения порядка скорости орбитальных электронов, т. е. при энергиях ионизующих ионов в десятки кэВ (для И. из осн. состояния атомов). Эксперимент и расчёт показывают, что макс, значение сечения И. атома ионами растёт с ростом заряда иона пропорц. величине заряда. При меньших скоростях механизм И. усложнён образованием квазимолекулы в процессе столкновения, т. е. перераспределением . электронов между ядрами сталкивающихся атомных частиц. Это может приводить к появлению дополнительных максимумов в области малых скоростей.
ИОНИЗАЦИЯ фото №14
Рис. 5. Ионизация молекулярного водорода атомами водорода (кривая 1)и протонами (кривая 2).

И. атомов и молекул в столкновениях с нейтральными атомами объясняется теми же механизмами, что и в столкновениях с ионами, однако, как правило, количественно менее эффективна. На рис. 5 приведены для сравнения ионизац. кривые для ионизации молекулярного водорода атомами водорода и протонами. перезарядка ионов."Квазимолекулярный" характер процессов столкновений атомных частиц при малых скоростях может приводить к более эффективному, чем в электронных столкновениях (при тех же скоростях), образованию ионов с зарядом больше единицы. Диагностика плазмы). При этом необходимо иметь надёжные данные о темп-ре (ф-ции распределения) частиц и их плотности. Этот метод успешно применяется для исследования И. многозарядных (Zа10) ионов электронным ударом. Ионизация светом (фотоионизация) - процесс И. атомных частиц в результате поглощения фотонов. В слабых световых полях происходит однофотонная И. В световых полях высокой интенсивности возможна многофотонная ионизация. Напр., частота лазерного излучения обычно недостаточна для того, чтобы поглощение одного фотона вызвало И. Однако чрезвычайно высокая плотность потока фотонов в лазерном пучке делает возможной многофотонную И. Экспериментально в разреженных парах щелочных металлов наблюдалась И. с поглощением 7-9 фотонов. ИОНИЗАЦИЯ фото №15
где a=¹/₁₃₇ - тонкой структуры постоянная,w_г - граничная чистота фотоионизации, w - частота фотона и ИОНИЗАЦИЯ фото №16 . Для атома водорода w_г=109678,758 см ^-1 (l@1216 Е). (В спектроскопии частота часто даётся в "обратных" см, т. е. ~1/l.) Вблизи границы фотоионизации (w-w_г Ъw_г)
ИОНИЗАЦИЯ фото №17
вдали от границы (w-w_г дw_г)
ИОНИЗАЦИЯ фото №18
Сечение фотоионизации из возбуждённых состояний убывает с ростом гл. квантового числа n пропорц. n^-5 (для n/З). Сечение фотоионизации s_ф связано с коэф.
ИОНИЗАЦИЯ фото №19
Рис. 6. Фотоионизация атомов щелочных металлов: лития(1 - эксперимент; 2 - расчёт) и натрия (3 - эксперимент;4 - расчёт).

фотопоглощения фотона фиксированной частоты следующим образом:
ИОНИЗАЦИЯ фото №20
Здесь сумма берётся по всем уровням атома, для к-рых энергетически возможна фотоионизация, и N_n - плотность числа атомов в состоянии n. Вычисление сечений и сопоставление с эксперим. данными (в т. ч. и дляневодородоподобных атомов) приведены в [9]. Сечение фотоионизации на 2-3 порядка ниже s_i при столкновениях. Z имеет смысл эфф. заряда остова, в поле к-рого движется электрон). Фотоионизация глубоких внутр. оболочек атомов, в отличие от И. электронным ударом, практически нe влияет на электроны внеш. оболочек, т. е. является весьма селективным процессом. Оже-эффект, сопровождающий ликвидацию вакансии во внутр. оболочке, приводит к образованию многозарядного иона. При этом могут образоваться ионы неск. степеней кратности. В табл. даны вычисленные и наблюдаемые значения ср. зарядов ионов для нек-рых атомов.
Т а б л. - Вычисленные и наблюдаемые значения средних зарядов ионов
ИОНИЗАЦИЯ фото №21
Экспериментально фотоионизация исследуется по измерению коэф. поглощения, регистрации числа образовавшихся ионов, измерению рекомбинац. излучения (сечения обратного процесса - фоторекомбинации). Фотоионизация играет существенную роль в ионизацонном балансе верхних слоев атмосферы, планетарных туманностей, подверженных ионизующему излучению звёзд и др. плазму. Процессом, обратным И., является рекомбинация ионов и электронов, связанная с ионизац. процессами соотношениями, следующими из принципов детального равновесия. Процессы И. и рекомбинации играют важную роль во всех электрич. разрядах в газах и разл. газоразрядных приборах. Лит.:1) Донец Е. Д., Овсянников В. П., Исследование ионизации положительных ионов электронным ударом, "ЖЭТФ ", 1981, т. 80, с. 916; 2) Петеркоп Р. П. Пресняков.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия.Главный редактор А. М. Прохоров.1988.

Синонимы:

автоионизация, аэроионизация, гидроаэроионизация, самоионизация, термоионизация, фотоионизация, фотолиз

Смотреть больше слов в «Физической энциклопедии»

ИОНИЗАЦИЯ ПОЛЕМ →← ИОНИЗАЦИОННЫЙ ПОТЕНЦИАЛ

ИОНИЗАЦИЯ

Синонимы слова "ИОНИЗАЦИЯ":

Смотреть что такое ИОНИЗАЦИЯ в других словарях:

Рекомендуем посмотреть: