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).