Ионы выбивают электроны в организме при ионизации. Образование радиационных дефектов

Заряженных частиц в электрическом и магнитном поле, молекулы необходимо предварительно ионизировать. Существует большое число методов ионизации , при этом наиболее часто используются методы электронного или фотонного удара. Очевидно, что когда речь идет о биомакромолекулах,...

Типы ионизации

Процесс ионизации протекает по-разному в зависимости от того с каким зарядом электрон (положительным или отрицательным) в нём участвует. Положительно заряженным ион становится тогда, когда электрон, связанный с атомом или молекулой обладает достаточным количеством энергии, чтобы преодолеть потенциальный электрический барьер, который его удерживал и, таким образом, порвав связь с атомом или молекулой, высвободиться. Количество энергии, затрачиваемое на этот процесс называется энергией ионизации. Отрицательно заряженный ион возникает, когда свободный электрон сталкивается с атомом и затем попадает в энергетическое поле , высвобождая избыток энергии.

В целом, ионизацию можно разделить на два типа - последовательная ионизация и непоследовательная ионизация . В классической физике, может иметь место только последовательная ионизация . Непоследовательная ионизация нарушает некоторые законы классической физики.

Классическая ионизация

С точки зрения классической физики и модели атома Бора, атомная и молекулярная ионизация являются полностью детерминированными, а это значит, что любая проблема может быть определена и решена при помощи вычислений. Согласно классической физике, необходимо, чтобы энергия электрона превосходила энергетическую разницу потенциального барьера, который он пытается преодолеть. В данной концепции это оправдано: как человек не может перепрыгнуть через стену высотой 1 метр, не подпрыгнув в высоту не менее чем на 1 метр, так же и электрон не может преодолеть потенциальный барьер в 13,6 эВ, не обладая как минимум таким же зарядом энергии.

Положительная ионизация

В соответствии с этими двумя принципами, количество энергии, необходимое для высвобождения электрона должно быть больше или равно потенциальной разнице между текущей атомической связью или молекулярной орбиталью и орбиталью самого высокого уровня. Если поглощённая энергия превосходит потенциал, тогда электрон высвобождается и превращается в свободный электрон. Иначе электрон входит в возбуждённое состояние, пока поглощённая энергия не рассеется и электрон войдёт в нейтральное состояние.

Отрицательная ионизация

Согласно этим принципам и учитывая форму потенциального барьера, свободный электрон должен обладать энергией, которая больше или равна потенциальному барьеру, чтобы его преодолеть. Если свободный электрон обладает достаточной энергией для этого, он остаётся с минимальным энергетическим зарядом, остальная энергия рассеивается. Если электрон не обладает достаточной энергией, чтобы преодолеть потенциальный барьер, он может быть движим электростатической силой, описанной Законом Кулона по отношению к потенциальному энергетическому барьеру.

Последовательная ионизация

Последовательная ионизация - это описание того, как происходит ионизация атома или молекулы. Например, ион с зарядом +2 может возникнуть только от иона с зарядом +1 или +3. То есть цифровое обозначение заряда может изменяться последовательно, всегда изменяясь от числа к последующему прилегающему к нему числу.

Квантовая ионизация

В квантовой механике, помимо того, что ионизация может происходить классическим способом, при котором электрон обладает достаточной энергией для преодоления потенциального барьера, есть возможность туннельной ионизации.

Туннельная ионизация

Туннельная ионизация - это ионизация при помощи квантового туннеля. В классической ионизации электрон должен обладать достаточной энергией для преодоления потенциального барьера, но квантовый туннель позволяет электрону свободно двигаться сквозь потенциальный барьер в силу волновой природы электрона. Вероятность возникновения электронного туннеля сквозь барьер в геометрической прогрессии сокращает ширину потенциального барьера. Поэтому электрон с более высоким энергетическим зарядом может преодолевать энергетический барьер, после чего ширина туннеля сокращается и шанс прохождения через него возрастает.

Непоследовательная ионизация

Феномен непоследовательной ионизации имеет место, когда световое электрическое поле становится переменным и сочетается с туннельной ионизацией. Электрон, проходящий через туннель, может вернуться обратно с помощью переменного поля. На этом этапе он может как сочетаться с атомом или молекулой и высвобождать избыток энергии, так и вступать в дальнейшую ионизацию за счёт столкновений с частицами, обладающими высоким зарядом энергии. Эта дополнительная ионизация называется непоследовательной по двум причинам:

1. Второй электрон перемещается беспорядочно.
2. Атом или молекула с зарядом +2 может возникнуть прямо от атома или молекулы с нейтральным зарядом, таким образом, заряд, выраженный целым числом, меняется непоследовательно .

Непоследовательную ионизацию часто изучают при низкой напряжённости лазерного поля, поскольку обычно ионизация является последовательной при высокой скорости ионизации.

Явление непоследовательной ионизации легче понять на одномерной модели атома, которая ещё недавно была единственной моделью, которую можно было рассмотреть в числовом выражении. Это происходит, когда момент импульса для обоих электронов остаётся таким низким, что они могут эффективно двигаться в одномерном пространстве и может относиться к линейной поляризации, но не к циркулярной. Можно рассматривать два электрона как двухмерный атом, где происходит одновременная ионизации обоих атомов, а это и есть ионизация одного двухпространственного электрона, который превращается в струю вероятности под углом 45° на двухэлектронной проекции, возникшую от множества заряженных ядер или квадратного центра. С другой стороны последовательная ионизация представляет собой эмиссии с оси x и y, когда двухпространственный гипер-электрон проходит по потенциальным каналам Кулона от гипер-ядер и затем вступает в ионизацию под воздействием гипер-электрического поля под углом 45°.

ИОНИЗАЦИЯ - превращение атомов и молекул в ионы. Степень ионизации - отношение числа ионов к числу нейтральных частиц в единице объема. Большой энциклопедический словарь

ИОНИЗАЦИЯ

ИОНИЗАЦИЯ

Образование положит. и отрицат. ионов и свободных эл-нов из электрически нейтральных атомов и молекул. Термином «И.» обозначают как элементарный акт (И. атома, ), 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 с образованием одинаковых ионов, 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. 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 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 - Н2 (эксперим. кривые).

Рис. 2. Ионизация аргона ионами Не+. На оси абсцисс отложена 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 , 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 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 (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 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 одного фотона вызвало И. Однако чрезвычайно высокая 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 , 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.

Физический энциклопедический словарь. - М.: Советская энциклопедия . . 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. <v s i (v )>, характеризующей число ионизации, к-рое может произвести одна ионизующая частица в 1 с:

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 Определяющую роль в газах и плазме играет И. электронным ударом (столкновения со сводными

Рис. 1. Ионизация атомов и молекул водорода электронным ударом; 1 - атомы Н; 2 - молекулы Н 2 (экспериментальные кривые); 3 - атомы Н (теоретический расчёт, 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 можно рассматривать независимо, поскольку их вклад в И. связан с др. электронными оболочками атома.

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.
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 . 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

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 . Расчёт s i одноэлектронной И. в рамках теории возмущений с учётом эффекта обмена приводит к удовлетворит, согласию с экспериментом для большинства атомов и ионов .Усовершенствование (и усложнение) методов расчёта позволяет описать детальную структуру ионизац. кривых, а также 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

где b= E i /kT, T - темп-pa ионизующих электронов. Ф-ции G(b) вычислены и табулированы в для большого числа атомов и ионов. Как видно из формул (2)и (4), с повышением заряда иона Z () И. убывает пропорц. Z -4 , аскорость И.С повышением энергии налетающего электрона энергетически возможно выбивание одного из электронов

Рис. 3. Ионизации атома водорода протонами: 1 - экспериментальные данные; 2 - расчёт в приближении Борна; 3 - расчёт .

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.

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 .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.

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.
где a= 1 / 137 - тонкой структуры постоянная, w г - граничная чистота фотоионизации, w - частота фотона и . 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)

вдали от границы (w-w г дw г)

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.

Рис. 6. Фотоионизация атомов щелочных металлов: лития(1 - эксперимент; 2 - расчёт) и натрия (3 - эксперимент;4 - расчёт).

фотопоглощения фотона фиксированной частоты следующим образом:

Здесь сумма берётся по всем уровням атома, для к-рых энергетически возможна , и N n - плотность числа атомов в состоянии n. Вычисление сечений и сопоставление с эксперим. данными (в т. ч. и дляневодородоподобных атомов) приведены в . Сечение фотоионизации на 2-3 порядка ниже s i при столкновениях. Z имеет смысл эфф. заряда остова, в поле к-рого движется ). 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


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 .

Смотреть что такое "ИОНИЗАЦИЯ" в других словарях:

ИОНИЗАЦИЯ, превращение атомов и молекул в ионы и свободные электроны; процесс, обратный рекомбинации. Ионизация в газах происходит в результате отрыва от атома или молекулы одного или нескольких электронов под влиянием внешних воздействий. В… … Современная энциклопедия

Подобно тому, как сильное электрическое поле вырывает электроны из металлов оно вырывает их также и из отдельных атомов газа. Явление это называют иногда «автоионизацией» атомов и его причину легко понять, если рассмотреть вид потенциальной энергии электрона, в атоме при наличии внешнего электрического поля. Пусть, потенциальная энергия электрона в отсутствие внешнего поля есть U (r). Внешнее электрическое поле о пусть направлено по оси OZ. Тогда вся потенциальная энергия электрона равна

Рис. 6.1

Рассмотрим вид потенциальной кривой на оси OZ(x = y = 0, r = | z | ). В отсутствие внешнего поля (о = 0) U" = U (r) и имеет вид, изображенный на рис. 6.1 пунктиром. Дополнительная потенциальная энергия во внешнем поле е оz изобразится пунктирной прямой аа". Кривая полной потенциальной энергии U, получающаяся сложением, проведена на рис. 6.1 сплошной линией а"b" и ab. Мы видим, что около точки z 0 образуется потенциальный барьер, разделяющий пространство на две области: внутреннюю z >z 0 и внешнюю z <z 0 , в каждой из которых потенциальная энергия U" меньше U" (z 0 ) = U m . На рис. 6.1 приведены также два уровня энергии Е` и Е". Если энергия Е = Е" >U m , то электрон не будет удерживаться вблизи атома, а будет удаляться в область отрицательных z. Если же энергия электрона Е = Е" <U m , то, согласно законам классической механики, электрон останется во внутренней области. По квантовой механике в этом случае просачивание через барьер все же будет иметь, место. Таким образом, здесь создается положение вещей, вполне аналогичное тому, которое имеет место при радиоактивном распаде.

Теперь уже совсем нетрудно понять причину ионизации атомов полем. При включении поля получается барьер, через который электроны проникают во внешнее пространство. Если высота барьера U т меньше энергии электрона, то частицы будут проходить («над барьером») и по классической механике. Поэтому и классическая механика приводит к возможности ионизации атома внешним электрическим полем. Различие заключается лишь в том, что по законам квантовой механики эта ионизация должна наступать при меньших полях, нежели это предписывается механикой классической, так как, согласно квантовой механике, для возможности ионизации не нужно, чтобы барьер оказался ниже энергии электрона. Ясно, однако, что при малых полях барьер будет очень широким и прозрачность его будет очень мала.

Явление автоионизации можно наблюдать таким образом: допустим, что мы наблюдаем какую-либо спектральную линию, обусловленную электронным переходом из состояния Е` в Е о (см. рис. 6. 1). По мере увеличения электрического поля эта линия будет смещаться (Штарк - эффект), и если поле достигнет столь большой величины, что прозрачность барьера будет велика, то электрон в состоянии Е` будет чаще вылетать из атома, проходя через барьер (ионизация), нежели падать в нижнее состояние (Е о ), излучая свет. Благодаря этому спектральная линия будет слабеть, пока, наконец, совсем не исчезнет. Это явление можно наблюдать на бальмеровской серии атомного водорода.

Для того чтобы иметь возможность проследить действие электрического поля различной напряженности, устраивают так, что различные части спектральной линии обусловливаются светом, исходящим от атомов, находящихся в полях различной силы. Именно, в объеме светящегося газа электрическое поле возрастает в направлении, параллельном щели спектроскопа (до некоторого предела, достигнув которого оно вновь

Рис 6.2

падает). На фотографии (см. рис. 6.2) рис приведены результаты подобного опыта. Буквами в, г, д, е, ж, обозначены линии серии Бальмера (Н в -- переход n = 4 > n = 2, Н г -- переход n = 5 > n = 2, Н д -- переход n = 6 > n = 2 и Н е -- переход n = 7 > n = 2). Приложенное электрическое поле растет снизу вверх. Белые линии на фотографии суть линии одинаковой напряженности поля. Из фотографии видно, что линии сначала расщепляются. Это расщепление увеличивается по мере роста поля (из расщепления линии Н в легко видеть положение линии максимальной напряженности поля). При некоторой напряженности поля спектральная линия исчезает.

Сравнение линий в, г, д, е, показывает, что они исчезают в последовательности е, д, г (при достигнутых полях в полностью не исчезает). Это есть последовательность возрастания энергии возбужденного состояния. Из рис, 6.1 явствует, что чем выше энергия электрона, тем меньше при заданном поле ширина и высота барьера, т. е. тем больше его прозрачность. Таким образом, наблюдающаяся последовательность в исчезновении спектральных линий вполне соответствует нашему толкованию этого явления как результата туннельного эффекта. То обстоятельство, что красные компоненты расщепленных линий исчезают раньше фиолетовых, также получает полное разъяснение при более детальном рассмотрении волновых функций электрона. Именно, состояния, отвечающие линиям, смещенным в красную сторону, обладают тем свойством, что в них интенсивность электронного облака больше в области барьера, нежели в состояниях для фиолетовых компонент. Благодаря этому ионизация протекает более благоприятным образом.

Сформулируем несколько детальнее те условия, при которых следует ожидать исчезновений спектральной линии в электрическом поле. Пусть вероятность оптического перехода электрона в нижнее состояние будет 1/ф (ф --время жизни в возбужденном состоянии). Время жизни электрона в возбужденном состоянии ф? 10 -8 сек. Вероятность перехода электрона в нижнее состояние в 1 сек будет 1/ф. Вероятность туннельного эффекта (ионизации) будет равна (так же, как и. при расчете радиоактивного распада) числу ударов электрона о внутреннюю стенку потенциального барьера в 1 сек, умноженному на коэффициент прозрачности D. Число ударов о барьер по порядку величины равно v/2r 0 , где v -- скорость электрона, а r 0 -- радиус барьера, примерно равный радиусу орбиты а . Скорость равна, опять-таки по порядку величины, где |Е| --энергия электрона, a м--его масса.

Следовательно,сек -1 (6.2)

(так как.Следовательно, вероятность автоионизации равна 10 16 D сек -1 . Чтобы преобладала автоионизация (условие исчезновения спектральной линии), нужно, чтобы 1/ф 10 -8 .

туннельный барьер эмиссия квазистационарный

Наверно, любой, кто хоть в какой-то степени интересуется точными науками, хоть раз, но задавался вопросом, что такое ионизация? Под данным определением подразумевается эндотермический процесс, в результате которого из электрически нейтральных частиц (атомов, молекул) образуются ионы. Рассмотрим более подробно, что представляет собой данный процесс.

Виды ионизации

Ионизация может протекать по-разному, и в зависимости от этого могут образовываться как положительные, так и отрицательные ионы. Еще со школьной скамьи нам говорили на уроках физики, что каждый электрон удерживается около своих хозяев (атомов) посредством электрического барьера, который не дает им разлететься в разные стороны. За счет него, собственно, и существует сама молекула.

Однако электрон может получить энергию достаточной величины, чтобы разрушить электрический барьер и освободиться от опеки атома или молекулы. В этом случае ион становится положительным. И наоборот, отрицательный ион образуется путем захвата дополнительного электрона. Сила, о которой было упомянуто, это не что иное, как энергия ионизации.

Существует два основных типа этого процесса:

• последовательная (классическая);
• непоследовательная (квантовая).

При этом первый тип - это процесс, который протекает согласно известным физическим законам. Квантовая же ионизация может нарушить некоторые классические представления о физике.

По законам классической физики

Согласно законам физики, в классическом понимании в отношении модели атома Бора атомная и молекулярная ионизация являются детерминированными процессами. То есть любую проблему можно определить и решить путем вычислений. Иными словами, чтобы электрону покинуть пределы атома, ему необходима такая энергия, которая превысит значения барьера.

Можно провести сравнение с человеком: чтобы ему перепрыгнуть метровую стену, необходимо подпрыгнуть на такую же высоту или даже больше, чтобы наверняка. В отношении модели Бора то же самое - электрон не сможет вырваться, не превысив препятствие равное 13,6 эВ. Как минимум ему необходимо обладать таким же зарядом энергии.

Но что такое ионизация последовательного типа? Ее суть кроется в самом названии. То есть значение заряда изменяется только последовательно и никак иначе. К примеру, ион может получить заряд +2 лишь от другого иона, у которого это значение равно +1 либо +3. Иными словами изменение заряда происходит на предыдущее или последующее прилегающее число.

Положительные ионы

Согласно рассмотренному выше принципу, энергия, которая будет потрачена на высвобождение электрона, должна равняться иди даже превосходить потенциальную разницу между текущей атомической связью (молекулярная орбиталь) и орбиталью самого высокого уровня.

Поглощенная энергия может быть выше потенциала, тогда для электрона нет никаких препятствий, и он становится свободным. В противном случае частица будет находиться в возбужденном состоянии, пока энергия не рассеется и он не перейдет в нейтральное состояние.

Отрицательные ионы

Как уже известно из описанного выше, что при ионизации такой свободный электрон должен обладать большой энергией или, в крайнем случае, быть такой же силы, как значение барьера, чтобы его преодолеть. И если она у него имеется, то у электрона остается минимальный энергетический заряд, а все остальное рассеивается. В ином случае он становится подвластным электростатической силе описанной законом Кулона в отношении потенциального энергетического барьера.

Квантовый процесс

Генрихом Герцем в 1887 году было установлено, что из тела возможен вылет электронов под воздействием света, что послужило открытием фотоэффекта. Однако это противоречило волновой теории света, которая не в состоянии объяснить происходящие в нем законы, а также разделение энергии в спектре электромагнитного излучения.

13 лет спустя другим физиком-теоретиком из Германии Максом Планком было установлено, что тела способны не только поглощать электромагнитную энергию, но и испускать ее. Причем делается это определенными порциями или квантами. В какой-то степени это объясняло ионизацию атомов.

В 1905 году Альберт Эйнштейн попытался выдвинуть предположение для объяснения квантовой теории. Фотоны, которые могут, как излучаться, так и поглощаться, наделяют электроны достаточной энергией для преодоления потенциального барьера. В этом случае речь идет как раз о квантовой ионизации.

Воздушная среда

Что же относительно ионизации воздуха? Как мы знаем, это та среда, которая необходима для существования всего живого на земле. Причем она содержит различные газы, большая часть из которых - это кислород и азот. В зависимости от территориального расположения состав воздуха различен. К примеру, на морском побережье он разбавлен водными частицами, схожими с плазмой человеческой крови.

Как мы теперь знаем, ионизация - это процесс, при котором образуются положительные и отрицательные ионы. Но что такое ионизация воздуха? Ответ далее. Стоит заметить, что процесс этот происходит под воздействием разного рода факторов:

• электромагнитного излучения;
• электрического поля;
• высокой температуры.

При этом сам процесс может протекать в зависимости от характера образования ионов и быть:

• естественным;
• технологическим;
• искусственным.

Что характерно, положительные ионы вредны для человеческого организма, поскольку могут вызывать утомление, головную боль. Также вследствие поступления недостаточного количества кислорода в кровь учащается пульс и дыхание. Пользу приносят как раз отрицательные ионы.

Польза ионизированного воздуха

Как отмечают многие специалисты, ионизированный воздух положительно сказывается на нашем организме.

Каждый раз при вдохе общее состояние человека улучшается, что приводит к положительным эффектам:

• повышается уровень работоспособности;
• укрепляется иммунитет;
• уходит депрессия;
• сон приходит в норму.

Теперь уже ясно, что такое ионизация воздуха. В целом, благодаря этому процессу, в помещении создается благоприятный микроклимат. Другие даже считают, что это верное средство по достижению долголетия. Кроме того, данный процесс позволяет устранить табачный дым, грибки с их спорами, а также прочие вирусы, микробы и возбудители некоторых заболеваний.

Естественные и искусственные ионизаторы

Пример естественной ионизации - сама природа, для чего используются растения. И преимущественно это хвойные породы деревьев (сосна, ель). Воздух обогащается ионами в разное время под воздействием следующих факторов:

• грозы;
• ультрафиолетовых лучей;
• в местах дробления воды (водопады);
• рентгеновского либо теплового излучения.

В середине прошлого столетия известным русским ученым А.Л. Чижевским был разработан аэроионизатор, чтобы проводить искусственную ионизацию воздуха. С его помощью проводились краткие оздоровительные процедуры под чутким присмотром медицинского персонала.

Другой его прибор именуется как люстра Чижевского, который почему-то ошибочно прозвали лампой. Он вырабатывал только отрицательные ионы, но при этом образовывалось много озона - более допустимой нормы.

Водная среда

Теперь пора познакомиться с ионизаций воды. Так же, как и воздух, она является жизненно необходимой средой. На планете воды больше чем суши, все мы на 2/3 состоим из жидкости, и вдобавок многочисленные процессы на земле не обходятся без ее участия. И с исчезновением воды вся жизнь на Земле прекратит свое существование.

В зависимости от источника молекулы воды могут отличаться по разным параметрам, и одним из таковых является водный кластер. Что это такое? Это совокупность молекул, которые соединены между собой посредством водородных связей. Измеряется в герцах (Гц). У различной разновидности воды он следующий:

• у водопроводной - 106;
• у дождевой - 119;
• у вешней - 122;
• у дистиллированной - 118;
• у колодезной - 105;
• у минеральной - 94;
• у ионизированной - 48.

Именно меньшие размеры кластера позволяют ионизированной воде эффективным образом проникать в обезвоженные ткани тела человека. К тому же у нее очень малое поверхностное натяжение.

Польза ионизированной воды

Что касается функции ионизации, то вода, которая подверглась такому процессу, в такой же степени полезна, как и воздух. Ее можно даже назвать живой, водой и по своей сути это - природный биостимулятор. Благодаря ему происходит активация всех процессов в организме, что приводит к улучшению аппетита, обмена веществ и общего самочувствия.

Помимо этого, можно выделить следующие полезные свойства ионизированной живой воды:

• Способствует скорейшему заживлению ран.
• Благоприятно воздействует на кожу, смягчая ее.
• Разглаживает морщины.
• Решает проблему перхоти и улучшает внешний вид волос.

В нашем организме постоянно проходит обмен веществ, в результате чего уже старые (мертвые) клетки превращаются в отходы. И исходом метаболизма становятся кислотные отходы, от которых наш организм избавляется через мочеиспускание и потоотделение.

Но что такое ионизация и как все это может быть связано со здоровьем? Дело в том, что накаливающийся мусор может быть и твердым (холестерин, жирные кислоты, камни в почках и так далее). Со временем он накапливается в нашем организме, приводя к старению и различным заболеваниям. Вода, для которой характерен небольшой размер кластера (ионизированная), способствует избавлению от ненужного мусора. Ведь чем меньше кислотных отходов будет в организме, тем медленнее протекает процесс старения.

В то же время такая вода - это не лекарство от всех болезней. Тем не менее регулярное ее употребление поможет омолодить организм, повышая его иммунитет.

Забота о волосах

Наши волосы тоже нуждаются в качественном уходе и защите. Практически все женщины по всему миру тратят определенной время у зеркала с той целью, чтобы привести свою прическу в порядок.

Выше были рассмотрены примеры того, как ионизация благоприятно воздействует на человеческий организм, укрепляя его иммунитет. Теперь же очередь дошла и до ионизации волос. Некоторые производители средств по наведению красоты уже поняли, что к чему и теперь рынок заполнился многочисленными фенами с ионизацией. Что же дает эта новая функция?

Как теперь можно понять существуют не только положительные, но и отрицательные частицы, причем первые плохо сказываются на человеческом организме. Особенно это хорошо заметно на волосах. В качестве примера: накопление положительных ионов приводит к их электризации, сильному распушиванию, и они становятся непослушными.

Отрицательные частицы оказывают благоприятное воздействие: волосы становятся послушными, лучшим образом увлажняются за счет равномерного распределения влаги. Также они приобретают блеск и гладкость. Иными словами, такой процесс, а точнее степень ионизации, это большой плюс для любого человека.