Ионизация

ИОНИЗАЦИЯ, образование положительных и отрицательных ионов и свободных электронов из электрически нейтральных атомов и молекул. Положительные ионы образуются в результате отрыва электрона (или электронов) от атомов и молекул. В особых случаях нейтральные атомы и молекулы могут присоединять электроны и образовывать отрицательные ионы. Подвергаться ионизации могут и ионы, при этом повышается их кратность. Под ионизацией понимают как элементарный акт (ионизация атома, молекулы), так и совокупность множества таких актов (ионизация газа, жидкости). Ионизация  может происходить при столкновениях частиц (столкновительная, или ударная, ионизация), под действием электромагнитного излучения (фотоионизация), под действием электрического поля (ионизация полем). Ионизация, происходящая при взаимодействии излучения или частиц внутри вещества (среды), называется объёмной, на поверхности твёрдого тела или жидкости - поверхностной ионизацией. Положительные и отрицательные ионы образуются также при электролитической диссоциации.

Атомы и молекулы, имеющие много электронов, в результате одного акта ионизации или при последовательных актах ионизации могут оказаться в разных ионизованных состояниях, характеризуемых кратностью ионизации. Состояние ионизации указывается либо величиной и знаком заряда (например, О⁺, О⁺³, О^-2, Fe⁺²⁴, Н₂О^-), либо, в случае положительно заряженных ионов, в виде спектроскопического символа (например, для приведённых выше ионов кислорода и железа: OII, OIV, FeXXV). Здесь римской цифрой указывается число, на единицу большее заряда иона. Цифра I соответствует нейтральному атому. Атомы могут быть ионизованы до ядер. Молекулы не бывают сильно заряженными, так как они становятся неустойчивыми и распадаются (диссоциируют). Максимально возможный отрицательный заряд иона определяется сродством к электрону и не превышает трёх электронных зарядов (смотри Отрицательные ионы).

При определённой концентрации заряженных частиц ионизованный газ превращается в плазму, которая резко отличается по своим свойствам от газа нейтральных частиц. Процессом, обратным ионизации, является рекомбинация ионов и электронов - образование из них нейтральных атомов и молекул. Процессы ионизации и рекомбинации играют важную роль во всех электрических разрядах в газах и в различных газоразрядных приборах.

Столкновительная (ударная) ионизация. Важнейшим механизмом ионизации в газах и плазме является ионизация при столкновении (ударе) свободного электрона с невозбуждёнными или возбуждёнными атомами или молекулами. Для отрыва электрона из атома, находящегося в основном состоянии, требуется затратить энергию ионизации, равную энергии связи. Энергия связи основного уровня колеблется от минимальной энергии 3,89 эВ для цезия до максимальной 24,59 эВ для гелия. Свободный электрон, обладающий энергией большей (или равной) энергии связи, при столкновении с атомом (молекулой) выбивает из него (неё) один электрон и образуется однозарядный положительный ион. Минимальное значение кинетической энергии ионизующего электрона называется порогом ионизации. Элементарный акт ионизации частицей (или фотоном) характеризуется эффективным сечением ионизации. Величина сечения растёт от нуля при пороговой энергии до определённого максимального значения и затем плавно уменьшается с увеличением энергии. В случае ударной ионизации сечение максимально при отрыве внешних валентных электронов и мало для внутренних электронов. Если свободный электрон обладает кинетической энергией, достаточной, чтобы оторвать от атома два электрона или более, то происходит двухэлектронная или многоэлектронная ионизация. Сечение ионизации таких процессов значительно меньше, чем сечение одноэлектронной ионизации.

Если энергия налетающего электрона меньше порога ионизации, то атом может перейти в возбуждённое состояние, а ионизоваться при следующем столкновении с другим электроном. Такая ионизация называется ступенчатой. Ионизация  газа обычно осуществляется в нескольких последовательных столкновениях (многоступенчатая ионизация). Она возможна, если столкновения происходят так часто, что частица в промежутке между двумя соударениями не успевает потерять энергию, полученную в предыдущем столкновении (достаточно плотные газы, высокоинтенсивные потоки бомбардирующих частиц и излучения). Многоступенчатая ионизация существенна, когда частицы ионизуемого вещества обладают метастабилъным состоянием, т. е. способны относительно долгое время сохранять энергию возбуждения. При быстром росте числа носителей зарядов, когда возникает достаточно высокая степень ионизации среды, происходит электрический пробой, среда становится проводящей, происходит резкое уменьшение сопротивления среды. (Отношение числа ионов к числу нейтральных частиц в единице объёма называется степенью ионизации.)

При столкновениях атомов и ионов с атомами может происходить ионизация не только бомбардируемых, но и бомбардирующих частиц. Налетающие нейтральные атомы, теряя электроны, превращаются в ионы, а у налетающих ионов увеличивается заряд. Такой процесс называется «обдиркой» пучка частиц.

Термическая ионизация. Ионизация  может вызываться не только частицами, налетающими извне. При достаточно высокой температуре, когда энергия теплового движения атомов (молекул) велика, они могут ионизовать друг друга при взаимных столкновениях - происходит термическая ионизация. Значительной интенсивности она достигает при температурах 10³-10⁴ К, например в пламени, в дуговом разряде, в ударных волнах, в звёздных атмосферах. Степень термической ионизации газа как функцию его температуры и давления для термодинамически равновесной среды можно оценить Саха формулой, согласно которой степень ионизации любого атома растёт с увеличением температуры и уменьшается с ростом концентрации электронов. В достаточно разреженной горячей среде (например, в солнечной короне) степень ионизации газа определяется рождением зарядов за счёт ионизации электронами и их гибелью в результате радиационной и диэлектронной рекомбинаций. В этих условиях степень ионизации среды зависит только от её температуры, но не зависит от плотности среды, поскольку скорости ионизации и рекомбинации одинаково (пропорционально) зависят от концентрации электронов.

Фотоионизация. В этом случае энергия ионизующего фотона hv должна быть не меньше энергии ионизации (h - постоянная Планка, v - частота излучения). Для всех атомов и молекул газов и жидкостей этому условию удовлетворяют лишь фотоны ультрафиолетового и более коротковолнового излучения. Фото-ионизация играет существенную роль, например, в процессах ионизации верхних слоёв атмосферы (ионосферы), в образовании стримеров при электрическом пробое газа и т.д. Фотоны больших энергий (рентгеновские и γ-кванты) могут эффективно вырывать электроны не только с внешних, но и с внутренних электронных оболочек атомов.

Ионизация лазерным излучением. Обычно частота лазерного излучения недостаточна для того, чтобы поглощение одного фотона вызвало ионизацию. Однако чрезвычайно высокая плотность потока фотонов в лазерном пучке делает возможной ионизацию, обусловленную одновременным поглощением нескольких фотонов (многофотонная ионизация). Например, в разреженных парах щелочных металлов наблюдалась ионизация с поглощением 7-9 фотонов. В плотных газах ионизация лазерным излучением не очень большой интенсивности происходит комбинированным образом. Сначала многофотонная ионизация освобождает «затравочные» электроны. От них начинается лавинная ионизация. Разгоняясь полем световой волны, электроны ударно возбуждают атомы, которые затем ионизуются светом, но с поглощением меньшего числа фотонов.

Ионизация в твёрдом теле представляет собой процесс перехода электронов из валентной зоны кристалла в зону проводимости, в результате чего атомы твёрдого тела превращаются в ионы. В случае примесных атомов ионизация происходит при потере или захвате ими электронов. Энергия ионизации в твёрдом теле имеет величину порядка ширины запрещённой зоны. В кристаллах с узкой запрещённой зоной электроны могут приобретать энергию за счёт энергии тепловых колебаний атомов (термическая ионизация). Если сообщаемой электронам энергии при поглощении твёрдым телом фотонов достаточно для ионизации, возможна фотоионизация. Ионизация  происходит также, когда через тело проходит поток заряженных (электроны, протоны) или нейтральных (нейтроны) частиц. Самостоятельный интерес представляет также ударная ионизация в сильном электрическом поле, наложенном на твёрдое тело. В таком поле участвующие в электропроводности электроны в зоне проводимости могут приобрести достаточную кинетическую энергию, чтобы выбить 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 появляются два «медленных», которые, ускоряясь в поле, могут, в свою очередь, стать «быстрыми» и вызвать ионизацию. Вероятность ударной ионизации возрастает с ростом напряжённости электрического поля. При некоторой критической напряжённости ударная ионизация приводит к резкому увеличению плотности тока, т. е. к электрическому пробою твёрдого тела.

Лит. : Энциклопедия низкотемпературной плазмы / Под редакцией В. Е. Фортова. М., 2000.

А. А. Кудрявцев.