Большая Советская Энциклопедия (цитаты)

Ионизация

Ионизация (далее И) образование положительных и отрицательных ионов и свободных электронов из электрически нейтральных и молекул. Термином "И" обозначают как элементарный акт (И молекулы), так и совокупность множества таких актов (И газа, жидкости).

  1) И в газе и жидкости. Для разделения нейтрального невозбужденного (молекулы) на две или более заряженные частицы, т. е. для его И, необходимо затратить энергию И . Для всех данного элемента (или молекул данного соединения), ионизующихся из основного состояния одинаковым образом (с образованием одинаковых ионов), энергия И одинакова. Простейший акт И - отщепление от (молекулы) одного электрона и образование положительного иона. Свойства частицы по отношению к такой И характеризуют ее ионизационным потенциалом, представляющим собой энергию И, деленную на заряд электрона.

  Присоединение электронов к нейтральным или молекулам (образование отрицательного иона), в отличие от других актов И, может сопровождаться как затратой, так и выделением энергии; в последнем случае говорят, что (молекулы) данного вещества обладают сродством к электрону.

  Если энергия И сообщается ионизуемой частице другой частицей (электроном, или ионом) при их столкновении, то И называется ударной. Вероятность ударной И (характеризуемая эффективным поперечным сечением И) зависит от рода ионизуемых и бомбардирующих частиц и от кинетической энергии последних Eк: до некоторого минимального (порогового) значения Eк эта вероятность равна нулю, при увеличении Eк выше порога она вначале быстро возрастает, достигает максимума, а затем убывает (рис. 1). Если энергии, передаваемые ионизуемым частицам в столкновениях, достаточно велики, возможно образование из них, наряду с однозарядными, и многозарядных ионов (многократная И) (рис. 2). При столкновениях и ионов с может происходить И не только бомбардируемых, но и бомбардирующих частиц. Это явление известно под названием "обдирки" пучка частиц; налетающие нейтральные теряя свои электроны, превращаются в ионы, а у налетающих ионов заряд увеличивается. Обратный процесс - захват электронов от ионизуемых частиц налетающими положительными ионами называется перезарядкой ионов (см. также Столкновения атомные).

  В определенных условиях частицы могут ионизоваться и при столкновениях, в которых передается энергия, меньшая : сначала (молекулы) возбуждаются ударами, после чего для их И достаточно сообщить им энергию, равную разности и энергии возбуждения. Таким образом, "накопление" необходимой для И энергии осуществляется в нескольких последовательных столкновениях. Подобная И называется ступенчатой. Она возможна, если столкновения происходят столь часто, что частица в промежутке между двумя соударениями не успевает потерять энергию, полученную в первом из них (достаточно плотные газы, высокоинтенсивные потоки бомбардирующих частиц). Кроме того, механизм ступенчатой И очень существен в случаях, когда частицы ионизуемого вещества обладают метастабильными состояниями, т. е. способны относительно долгое время сохранять энергию возбуждения.

  И может вызываться не только частицами, налетающими извне. Когда энергия теплового движения (молекул) вещества достаточно велика, они могут ионизовать друг друга при взаимных столкновениях - происходит термическая И Значительной интенсивности она достигает при температурах ~103-104, например в пламени, в дуговом разряде, ударных волнах, в звездных атмосферах. Степень термической И газа как функцию его температуры и давления можно оценить из термодинамических соображений (см. Саха формула).

  Процессы, в которых ионизуемые частицы получают энергию И от фотонов (квантов электромагнитного излучения), называют фотоионизацией. Если (молекула) невозбужден, то энергия ионизующего фотона hn (h - Планка постоянная, n - частота излучения) должна быть не меньше энергии И . Для всех и молекул в газах и жидкостях такова, что этому условию удовлетворяют лишь ультрафиолетовые и более жесткие фотоны. Однако фотоионизацию наблюдают и при hn < , например при облучении видимым светом. Объясняется это тем, что она может иметь характер ступенчатой И: сначала поглощение одного фотона возбуждает частицу, после чего взаимодействие со следующим фотоном приводит к И В отличие от ударной И, вероятность фотоионизации максимальна именно при пороговой энергии фотона hn < , а затем с ростом n падает. Максимум сечения фотоионизации в 100-1000 раз меньше, чем при ударной И Меньшая вероятность компенсируется во многих процессах фотоионизации значительной плотностью потока фотонов, и число актов И может быть очень большим.

  Если разность hn - относительно невелика, то фотон поглощается в акте И Фотоны больших энергий (рентгеновские, g-кванты), затрачивая при И часть энергии DE, изменяют свою частоту на величину Dn = DE/h (см. Комптона эффект). Такие фотоны, проходя через вещество, могут вызвать большое число актов фотоионизации. Разность DE - (или hn - при поглощении фотона) превращается в кинетическую энергию продуктов И, в частности свободных электронов, которые могут совершать вторичные акты И (уже ударной).

  Большой интерес представляет И лазерным излучением. Его частота, как правило, недостаточна для того, чтобы поглощение одного фотона вызвало И Однако чрезвычайно высокая плотность потока фотонов в лазерном пучке делает возможной И, обусловленную одновременным поглощением нескольких фотонов (многофотонная И). Экспериментально в разреженных парах щелочных металлов наблюдалась И с поглощением 7-9 фотонов. В более плотных газах лазерная И происходит комбинированным образом. Сначала многофотонная И освобождает несколько "затравочных" электронов. Они разгоняются полем световой волны, ударно возбуждают которые затем ионизуются светом, но с поглощением меньшего числа фотонов.

  Фотоионизация играет существенную роль, например, в процессах И верхних слоев атмосферы (см. Ионосфера), в образовании стримеров при пробое электрическом газа и т. д.

  Ионизованные газы и жидкости обладают электропроводностью, что, с одной стороны, лежит в основе разнообразных применений процессов И, а с другой стороны, дает возможность измерять степень И этих сред, т. е. отношение концентрации заряженных частиц в них к исходной концентрации нейтральных частиц.

  Процессом, обратным И, является рекомбинация ионов и электронов - образование из них нейтральных и молекул. Защищенный от внешних воздействий газ при обычных температурах в результате рекомбинации очень быстро переходит в состояние, в котором степень его И пренебрежимо мала. Поэтому поддержание заметной И в газе возможно лишь при действии внешнего ионизатора (потоки частиц, фотонов, нагревание до высокой температуры). При определенной концентрации заряженных частиц ионизованный газ превращается в плазму, резко отличающуюся по своим свойствам от газа нейтральных частиц.

  Особенность И жидких растворов состоит в том, что в них молекулы растворенного вещества распадаются на ионы уже в самом процессе растворения без всякого внешнего ионизатора, за счет взаимодействия с молекулами растворителя. Взаимодействие между молекулами приводит к самопроизвольной И и в некоторых чистых жидкостях (вода, спирты, кислоты). Этот дополнительный механизм И в жидкостях называется электролитической диссоциацией.

  2) И в твердом теле - процесс превращения твердого тела в заряженные ионы, связанный с переходом электронов из валентной зоны в зону проводимости (в случае примесных - с потерей или захватом ими электронов). Энергия И в твердом теле имеет величину порядка ширины запрещенной зоны E (см. Твердое тело). В с узкой запрещенной зоной электроны могут приобретать за счет энергии тепловых колебаний (термическая И); при фотоионизации необходимые энергии сообщаются электронам проходящими через твердое тело (или поглощаемыми в нем) фотонами. И происходит также, когда через тело проходит поток заряженных (электроны, протоны) или нейтральных (нейтроны) частиц.

  Особый интерес представляет ударная И в сильном электрическом поле, наложенном на твердое тело. В таком поле участвующие в электропроводности электроны в зоне проводимости могут приобрести кинетические энергии большие, чем E, и "выбивать" электроны из валентной зоны, где они не участвуют в электропроводности. При этом в валентной зоне образуются дырки, а в зоне проводимости вместо каждого "быстрого" электрона появляется два "медленных", которые, ускоряясь в поле, могут, в свою очередь, стать "быстрыми" и вызвать И Вероятность ударной И возрастает с ростом напряженности электрического поля. При некоторой критической напряженности ударная И приводит к резкому увеличению плотности тока, т. е. к электрическому пробою твердого тела.

  Лит.: Грановский В. Л., Электрический ток в газе. Установившийся ток, М., 1971; Месси Г., Бархоп Е., Электронные и ионные столкновения, пер. с англ., М., 1958; Энгель А., Ионизованные газы, пер. с англ., М., 1959; Федоренко Н. В., И при столкновениях ионов с "Успехи физических наук", 1959, т. 68, в. 3; и молекулярные процессы, под ред. Д. Бейтса, пер. с англ., М., 1964; Вилесов Ф. И, Фотоионизация газов и паров вакуумным ультрафиолетовым излучением, "Успехи физических наук", 1963, т. 81, в. 4; Райзер Ю. П., Пробой и нагревание газов под действием лазерного луча, там же, 1965, т. 87, в. 1; Физика твердого тела, сб. статей, №2, М.-Л., 1959; Вул Б. М., О пробое переходных слоев в полупроводниках, "Журнал технической физики", 1956, т. 26, в, 11; Келдыш Л. В., Кинетическая теория ударной ионизации в полупроводниках, "Журнал экспериментальной и теоретической физики", 1959, т.37, в. 3.

Рис. 2. <i><b>И</b></i>  ионами <sup>+</sup>. На оси абсцисс отложена скорость ионизующих частиц. Пунктирные кривые - ионизация  электронным ударом.
Рис. 2. И ионами +. На оси абсцисс отложена скорость ионизующих частиц. Пунктирные кривые - ионизация электронным ударом.


Для поиска, наберите искомое слово (или его часть) в поле поиска


Новости 26.09.2022 13:32:59