Ионизация

Ионизация

ИОНИЗАЦИЯ, процесс распада электрически нейтральной молекулы на (+) и (—) заряженные части, называемые ионами. Нормальными ионами являются: 1) отрицательно заряженные электроны, 2) атомы, несущие на себе свободные (+) или (—) заряды, 3) атомные группы, или молекулярные остатки с соответственными зарядами. Облекаясь сольватными оболочками в растворах или осаждаясь на пылинках в газах, нормальные ионы обращаются в так называемые медленные ионы (или ионы Ланжевена); масса таких ионов может в тысячи раз превосходить нормальную массу. Заряд иона всегда является кратным от элементарного электрического заряда = 4,774·10–10 электростатических единиц; поэтому говорят об однократно-, двукратно-, трехкратно- и т. д. ионизованных атомах. Причины, вызывающие ионизацию, могут быть разделены на три группы: 1) поглощение света, 2) удары электронов, атомов или молекул (ударная ионизация) и 3) химические причины.

Если энергия поглощенного кванта света hv достаточна для переноса поглощающего электрона в предельное возможное для атома стационарное состояние (предельную орбиту), то происходит вылет электрона за пределы атома, т. е. фотоэлектрический эффект; иными словами, происходит ионизация. Если частота поглощенного света недостаточно велика, то электрон в атоме только переходит в другое стационарное состояние (возбуждение атома). Таким образом, ионизация при поглощении света возможна только начиная с определенной предельной частоты v0 или длины волны λ0; эффективным ионизатором в газах является только радиация с достаточно большой частотой (ультрафиолетовые, рентгеновские, γ-лучи). При поглощении света молекулами может произойти не только вылет электрона, но и распад молекулы на атомы или молекулярные ионы. Экспериментально это впервые было доказано А. Н. Терениным в случае освещения паров галоидных солей ультрафиолетовым светом.

Ударная ионизация, или ионизация толчком, подчиняется по существу тому же закону, как и ионизация светом; она осуществима только начиная с определенного предельного значения кинетической энергии ударяющего ионизатора (m - масса, v0 - предельная скорость). До тех пор пока это значение не достигнуто, ударяющий электрон, ион, атом или молекула могут только «возбуждать» ударяемую молекулу или упруго отражаться от нее. Предельная частота v0 при ионизации светом и предельная скорость v0 при ударной ионизации связаны соотношением:

Ionizacija 1

где h - постоянная Планка.

Ударная ионизация имеет основное значение при электрическом разряде в газах (а также и в твердых телах - см. Диэлектрики). При ускоряющемся в электрическом поле движении электроны (или вообще ионы) приобретают, наконец (при достаточном напряжении) скорость, нужную для ионизации, и при ударе расщепляют встречные молекулы на ионы; последние в свою очередь, разгоняясь в электрическом поле, становятся ионизаторами, и т. д. Для достижения ударной ионизации нужен некоторый минимальный потенциал V0, называемый ионизационным потенциалом и связанный с v0 и ν0 соотношением:

Ionizacija 2

где е - заряд иона. Механизм диссоциации молекул на ионы в растворах (см. Диссоциация электролитическая), так же как ионизация при различных химических процессах, теоретически еще недостаточно выяснен.

Ионы, которые возникают в газе под влиянием какого-либо ионизатора, в случае прекращения его действия быстро исчезают, что объясняется соединением положительных и отрицательных частей молекул, разрушенных действием ионизатора. Это явление называется воссоединением, или рекомбинацией, а также молизацией ионов.

С формальной стороны ионы можно рассматривать как некоторую примесь к газу, отличную от него по ее свойствам; поэтому по отношению к ионам вводится понятие о концентрации (n), или числе ионов в 1 см3. Точно так же вводится понятие о диффузии ионов, определяемой по аналогии с диффузией газов. Поток диффузии ионов, т. е. количество ионов, проходящих в единицу времени через 1 см2 поверхности в направлении х, нормальном к ней, определяется уравнением:

Ionizacija 3

где n - концентрация ионов и В - коэффициент диффузии газов.

Находясь в электрическом поле, ионы движутся в направлении силовых линий соответственно своему знаку. Скорость, которую развивают ионы при движении в поле с напряжением, равным единице, называется подвижностью (u) ионов. Измерения подвижностей и коэффициентов диффузии ионов дают возможность сделать выводы о свойствах и природе ионов. Подвижность отрицательных нормальных ионов несколько больше подвижности положительных. Так, для ионов, образующихся в воздухе, как среднее можно принять

Ionizacija 4

Чрезвычайно малая подвижность ионов и, соответственно этому, малый коэффициент диффузии заставляют предполагать, что вокруг иона образуется группа молекул, которые удерживаются его зарядом и движутся вместе с ионами, - это т. н. кучевая теория образования ионов. Другие авторы объясняют те же факты увеличением внутреннего трения, которое испытывает ион в газе вследствие электростатического действия его заряда на молекулы газа. При очень больших напряженностях полей (около 10000 V/см) подвижность ионов сильно возрастает.

Что касается рекомбинации ионов, то число ионов, воссоединяющихся в единицу времени, зависит от числа столкновений ионов того или другого знака, т. е. пропорционально произведению концентраций ионов обоих знаков. Допуская, что концентрация положительных и отрицательных знаков одинакова (n), имеем:

Ionizacija 5

где α - положительная величина, называемая коэффициентом рекомбинации, или воссоединения. Из этого уравнения путем интегрирования находим:

Ionizacija 6

где n0 - значение концентрации в начальный момент времени (t = 0). Из этой формулы видно, что в газе после прекращения действия ионизатора убывание числа ионов идет по гиперболическому закону. Определение числового значения α в среднем приводит к числу α = 1,5·10–6 электростатических единиц. Коэффициент α зависит от примесей в газе; он уменьшается при уменьшении давления газа и при повышении температуры.

Ионизация атмосферного воздуха. Изолированный проводник, экспонированный в атмосфере, постепенно теряет свой заряд, в чем можно убедиться, наблюдая спад соединенного с ним электроскопа. Это явление приводит к заключению о некоторой электропроводности атмосферы - свойству, которым она обязана присутствию в ней положительных и отрицательных ионов.

В атмосфере обнаружены ионы различной массы и подвижности; наиболее изучены обыкновенные, или малые, ионы. Ионизаторами атмосферы являются α-, β- и γ-лучи радия, тория, актиния и их производных, находящихся в почве, в водах, в атмосфере, а также ультрафиолетовые лучи солнца, проникающая радиация и некоторые другие факторы. Около 64% ионизации обусловливается действием радиоактивных веществ, находящихся в почве: измерения радиоактивности почвенного воздуха показали, что он в несколько раз богаче ионами, чем воздух атмосферы. Ионизация почвенного воздуха имеет суточный и годовой ход (maximum - летом и днем, minimum - зимой и ночью), а также зависимость от метеорологических условий - эти явления обусловливаются интенсивностью транспирации воздуха в почве. В большей или меньшей степени радиоактивными являются все породы земной коры. В среднем граниты содержат 3,46·10–12 Ra и 1,17·10–15 Th на 1 грамм породы, осадочные породы - 0,9·10–12 Ra и 0,05·10–15 Th, океанические воды - от 3,4 до 0,9·10–14 Ra на 1 см3. Те же ионизующие элементы были найдены в различных и меняющихся количествах в атмосферном воздухе. Заряженная и изолированная проволока, экспонированная в атмосфере, всегда получает известную активность. Исследования атмосферы обнаруживают эманации Ra, Th, Ас, причем в среднем Ra:Th—13:1.

Ионы, получаемые в атмосфере в результате действия ионизаторов, не однородны по своей массе и подвижности. Различают главным образом обыкновенные (легкие) и тяжелые ионы, получающиеся оседанием электрических зарядов на частицах пыли, молекулах водяного пара и т. п. Режим ионосодержания в атмосфере м. б. выражен уравнением:

Ionizacija 7

где q - число малых положительных или отрицательных ионов, образующихся в 1 см3 в секунду; n, N и N1 - числа малых и тяжелых ионов и нейтральных ядер в 1 см3; а, b, с и d - некоторые постоянные. Отдельные слагаемые правой части последовательно представляют собой числа ионов, теряемых 1 см3 от молизации малых и тяжелых ионов, от перехода малых ионов в тяжелые и от оседания ионов на нейтральных ядрах. Теоретический подсчет формулы (1) дает q равным от 5 до 12 ионов в 1 см3 в сек. С другой стороны, радиации почвы, вод, атмосферного воздуха и других ионизаторов суммарно дают около 9 ионов в 1 см3 в сек. Получается хорошее совпадение для таких общих подсчетов, показывающее, что деятельность этих агентов в состоянии объяснить ионизацию атмосферного воздуха и ее особенности.

Количество ионов в 1 см3 в атмосфере измеряется особыми приборами - счетчиками ионов: если n - число ионов какого-либо знака в 1 см3, D - количество воздуха, протекающее в единицу времени через единицу поверхности, нормальной к потоку, dv - потеря заряда конденсатора в V, С - его емкость и ε - заряд иона, то

Ionizacija 8

откуда м. б. определено и n. Непосредственные наблюдения дали в среднем для обыкновенных ионов:

Ionizacija 9

Хотя отдельные наблюдения отличаются от этих величин (n и n' могут доходить до 1000 и более), все же средние числа довольно устойчивы, так же как и электрополярность атмосферы (т. е. превышение количества положительных ионов над числом отрицательных ионов). Количество тяжелых ионов может значительно превышать эти числа, в особенности у земной поверхности. С увеличением высоты число ионов возрастает, - для H = 2000—З000 м находим: n и n' равны 2000—3000.

Характерным свойством ионов является их подвижность; для обыкновенных ионов она равна 1,5 см/сек : V/см, причем отрицательные ионы несколько более подвижны: v':v=1,1; тяжелые ионы обладают подвижностью в 1000—3000 раз меньшей.

Ионосодержание атмосферы является геофизическим элементом, т. е. имеет определенное географическое распределение и вариации в течение года и суток и зависит от других элементов. Годовой и суточный ход ионизации атмосферного воздуха подобен ходу ионизации почвенного воздуха; из геофизических элементов наибольшее влияние оказывает относительная влажность, понижающая количество ионов и их подвижность.

Из практических приложений учения об ионизации атмосферного воздуха упомянем о его приложениях в деле разведки полезных ископаемых и в сельском хозяйстве. Так как одной из причин ионизации атмосферного воздуха является влияние радиоэлементов земной поверхности, то это открывает возможность исследовать при помощи полевых измерений ионизации распределение радиоэлементов в геологических и разведочных целях. Применяемые методы основаны на измерении ионизационного эффекта: 1) всех излучений (α-, β-, γ-) от радиоэлементов земной поверхности в атмосфере; 2) тех же излучений внутри камеры с открытым дном, помещенной на поверхности почвы; 3) γ-излучений при помощи γ-электрометра. Работы этими методами установили факт повышенной ионизации и новообразования на участках, богатых радиоэлементами. Те же явления обнаружены в связи с тектоническими линиями (разломами, сбросами), зонами трещиноватости, усиленным метаморфозом, петрографическим составом пород и т. д. Измерения в шахтах, шурфах, разведочных канавах и пр. дают еще более резкие указания на присутствие радиоактивных пород. У нас подобные работы производятся Геологическим комитетом.

Ионизация в атмосфере (в радиотехническом отношении), особенно в ее верхних слоях, определяет в значительной степени законы распространения электромагнитных волн (коротких и средних); подробности см. Беспроволочная связь.

 

 

Источник: Мартенс. Техническая энциклопедия. Том 9 - 1929 г.