Ионизация

Иониза́ция — эндотермический процесс образования ионов из нейтральных атомов или молекул. Ионизация — один из основных путей передачи энергии ионизирующим излучением веществу^[1].

Солнечный ветер, движущийся через магнитосферу, изменяет движение заряженных частиц в термосфере или экзосфере Земли, и возникающая в результате ионизация этих частиц заставляет их излучать свет различного цвета, образуя таким образом полярные сияния вблизи полярных регионов Земли.

Положительно заряженный ион образуется, если один или несколько электронов в атоме (или молекуле) получает достаточную энергию для преодоления потенциального барьера, равную ионизационному потенциалу^[2]. Отрицательно заряженный ион, наоборот, образуется при захвате дополнительного электрона атомом с высвобождением энергии. Если вещество состоит из ионно связанных молекул, то при ионизации в нём образуются пары положительно и отрицательно заряженных ионов.

Принято различать ионизацию двух типов — последовательную (классическую) и квантовую, не подчиняющуюся некоторым законам классической физики.

Эффективностью ионизации называется отношение образовавшихся ионов к числу задействованных для этого электронов или фотонов^[3].

Классическая ионизация

Аэроионы, кроме того, что они бывают положительными и отрицательными, разделяются на лёгкие, средние и тяжёлые ионы. В свободном виде (при атмосферном давлении) электрон существует не более, чем 10⁻⁷ — 10⁻⁸ секунды.

Ионизация в электролитах

Электролиты — вещества, растворённые в воде. К электролитам относятся растворимые соли, кислоты, гидроксиды металлов. В процессе растворения молекулы электролитов распадаются на катионы и анионы. Фарадей, полагаясь на данные, полученные из экспериментов с электролизом, вывел формулу о пропорциональности массы m к заряду Δq, который прошёл через электролит, или о пропорциональности массы m к силе тока I и времени Δt: ${\displaystyle m=k\cdot \Delta q=k\cdot I\cdot \Delta t}$.

Ионизация в газах

Газы по большей мере состоят из нейтральных молекул. Однако если часть молекул газов ионизируется, газ проводит электрический ток. Есть три основных способа ионизации в газах:

• Термическая ионизация — ионизация, при которой необходимую энергию для отрыва электрона от атома дают столкновения между атомами вследствие повышения температуры;
• Ионизация электрическим полем — ионизация вследствие повышения значения напряженности внутреннего электрического поля выше предельного значения. Из этого следует отрыв электронов от атомов газа.
• Ионизация ионизирующим излучением

Квантовая ионизация

Основная статья: Фотоэффект

В 1887 году Генрих Герц установил, что под действием света из тела могут вырываться электроны — было открыто явление фотоэффекта. Это не согласовывалось с волновой теорией света — она не смогла объяснить законы фотоэффекта и наблюдаемое разделение энергии в спектре электромагнитного излучения. В 1900 году Макс Планк установил, что тело может поглощать или испускать электромагнитную энергию только специальными порциями, квантами. Это дало теоретическую основу для объяснения явлений фотоэффекта. Чтобы объяснить явление фотоэффекта, в 1905 году Альберт Эйнштейн выдвинул гипотезу про существование фотонов как частиц света, что позволяет объяснить квантовую теорию — фотоны, которые способны поглощаться или излучаться как целое одним электроном, придают ему достаточную кинетическую энергию для преодоления силы кулоновского притяжения электрона к ядру — возникает квантовая ионизация.

Методы ионизации

Методы, использующиеся для ионизации проводящих материалов:

Искровая ионизация: за счёт разницы потенциалов между кусочком исследуемого материала и другим электродом возникает искра, вырывающая с поверхности мишени ионы.

Ионизация в тлеющем разряде происходит в разрежённой атмосфере инертного газа (например, в аргоне) между электродом и проводящим кусочком образца.

Ударная (столкновительная) ионизация^[4]. Если какая-либо частица с массой m (электрон, ион, нейтральная молекула или субатомная частица), летящая со скоростью V, столкнётся с нейтральным атомом или молекулой, то кинетическая энергия летящей частицы может быть затрачена на совершение акта ионизации, если эта кинетическая энергия не меньше энергии ионизации.

См. также

• Деионизация
• Ионизация в индуктивно-связанной плазме
• Поверхностная ионизация
• Ионизатор
• Ионизатор воды — устройство, которое ионизирует воду и, несмотря на отсутствие эмпирических данных, подтверждающих пользу ионизированной воды для здоровья человека, продаётся в качестве антиоксидантов, замедляющих процесс старения и предотвращающих болезни^[5].

Галерея

• 
  Энергия ионизации некоторых чистых химических элементов. На пиках находятся инертные газы