Jonizacija

Jonizacija je proces u kojem atom gubi valentni elektron iz svoje poslednje elektronske ljuske. Pošto atom gubi elektron, postaje pozitivni jon (jer sad ima više protona od elektrona). Elektron koji se oslobodio iz posljednje ljuske se zove slobodni elektron. Kada slobodni elektron izgubi deo energije i dođe u spoljnu elektronsku ljusku neutralnog atoma, atom postaje električno negativno nabijen (jer sad ima više elektrona od protona) i postaje negativni jon. Kao primjer, oznaka za pozitivni jon vodonika je ⁺, a za negativni jon vodonika ^-.^[1] protons, antiprotons^[2] and ions,^{[3][4][5][6][7][8][9]}

Prva energija jonizacije neutralnih atoma.

Skica jonizacijske komore.

Jonizacijska komora u dozimetru.

Gajgerov brojač.

Šematski prikaz maglene komore. Naglim pomicanjem klipa prema dolje, nezasićena vodena para u komori postaje zasićena, jer dolazi do naglog hlađenja pare, a kondenzacija se u obliku niza malih kapljica događa oko jona koje je načinio prolaz nabijene čestice.

Maglena komora s vidljivim tragovima jonizirajućeg zračenja (kratki debeli tragovi su alfa-čestice, a dugi i tanki tragovi su beta-čestice).

Komora sa mehurićima.

Jonizacija je nastajanje naelektrisanih čestica, jona, iz neutralnih atoma ili molekula. Jonizaciju može izazvati druga električno nabijena čestica (jon, elektron, pozitron, mezon, proton, alfa-čestica, deuteron) koja se kreće kroz gasovitu, tečnu ili čvrstu materiju, ako je kinetička energija čestice dovoljno velika da u sudaru s neutralnim atomima ili molekulama izbaci iz njih elektrone. Najmanja za to potrebna energija je energija jonizacije (jonizacijski potencijal), to jest energija koja je dovoljna da izolovani atom ili molekul u gasovitom stanju izgube jedan elektron, pri čemu nastaje jonski par: pozitivno nabijeni jon i izbačeni elektron. Energija jonizacije mera je sposobnosti nekog hemijskog elementa da ulazi u hemijske reakcije uz stvaranje jona. Prva energija jonizacije odnosi se na gubitak najslabije vezanog elektrona u neutralnom atomu, druga, veća energija jonizacije odnosi se na jonizaciju tako nastalog katjona i tako dalje. Ukupan broj jonskih parova nastalih na jedinici dužine uzduž puta čestice naziva se jonizacijska gustina (specifična jonizacija) i meri se najčešće u odnosu prema jonizacijskoj gustini u vazduhu. Ona zavisi od energije, mase i naboja čestice, za razliku od totalne jonizacije, to jest ukupnoga broja jonskih parova nastalih uzduž cele staze čestice, koji zavisi uglavnom samo od energije s kojom je čestica ušla u materiju. Atomi ili molekuli mogu jonizacijom da izgube po jedan elektron ili više njih, a izbačeni elektron može kratko vreme da ostane slobodan, može se vezati uz neki neutralni atom ili molekul i tako stvoriti negativno nabijen jon, ili se pak spojiti s nekim pozitivno nabijenim jonom. Prosečni put koji oslobođeni elektron pređe pre nego što se spoji s drugom česticom naziva se srednji slobodni put i zavisi uglavnom o pritiska gasa i stupnju jonizacije, to jest od odnosa između broja nastalih jona i preostalih neutralnih atoma, odnosno molekula. Krećući se kroz sredstvo, čestica koja uzrokuje jonizaciju postupno gubi energiju i konačno se može zaustaviti. U vazduhu pri temperaturi od 15 ° i pritisku od 101 325 utrošak energije po nastajanju jednog jonskog para iznosi oko 32,5 i ne zavisi od uzročnika jonizacije.

Uz primarnu jonizaciju, koju direktno uzrokuje čestica, događa se i sekundarna jonizacija, to jest proces nastajanja jona delovanjem elektrona i jona koji su nastali primarnom jonizacijom, ako su prilikom svog postanka dobili dovoljno veliku energiju. Neutralne čestice, na primer neutron ili neutralni mezon, mogu da uzrokuju samo sekundarnu jonizaciju, predajući ili svu svoju energiju ili samo njen deo nekoj električno nabijenoj čestici, na primer protonu.^[10]

Energija jonizacije

Energija jonizacije ili jonizacijska energija je energija nužna da atom ili molekula u gasovitom stanju izgubi jedan elektron. Graf prikazuje koliko ona iznosi za neutralne atome i može se uočiti da se uglavnom najteže bivaju jonizovani plemeniti plinovi. Međutim neki se molekuli teže joniziraju nego helijum, na primer jonizacijska energija kiseonika ₂ iznosi 50 , ozona ₃ 11,7 , vode .^[11] Izbačeni elektron može na kratko vreme ostati slobodan, može se vezati uz neki neutralni atom ili molekul i tako stvoriti negativno nabijen jon, ili se spojiti s nekim pozitivno nabijenim jonom. Koliko dugo će elektron biti slobodan zavisi uglavnom od pritiska gasa, temperature i stupnja jonizacije, to jest od broja nastalih jona i preostalih neutralnih atoma. Čestica koja uzrokuje jonizaciju postupno, svakim sudarom, gubi kinetičku energiju. Sekundarna jonizacija je proces nastajanja jona delovanjem elektrona i jona koji su nastali primarnom jonizacijom, ako su oni prilikom svog postanka dobili dovoljno veliku kinetičku energiju.

Uzroci jonizacije

Jonizaciju može uzrokovati elektromagnetno ili čestično zračenje dovoljno velike energije (ultraljubičasto, rendgensko, gama-zračenje), bilo fotoelektričnim učinkom, tako da jedan od vezanih elektrona u atomu preuzme svu energiju kvanta zračenja, bilo Komptonovim učinkom, kada elektron preuzme samo deo te energije. Jonizaciju uzrokuje i jonizirajuće zračenje (radioaktivno zračenje).

Jonizaciju može izazvati trenje između slojeva materije. Tako nastaje električni naboj oblaka.

Električne varnice u gasovima takođe se svode na jonizaciju. Ako nema delovanja električnog polja, joni stvoreni u nekom gasu brzo se rekombiniraju i gas se ponovno vraća u neutralno stanje. Međutim, ako se gas nalazi u električnom polju, nastali se joni kreću prema elektrodama, i to negativno nabijeni prema anodi, a pozitivno nabijeni prema katodi. Na taj način nastaje struja jonizacije. Pri malim pritiscima i u dovoljno jakom električnom polju nastaje električni izboj. Zbog delovanja polja tako stvoreni joni, krećući se prema elektrodama, dobivaju dovoljnu energiju, pa i oni jonizuju druge atome i molekule. Ta se pojava naziva kaskadni proces i uzrok je jonizacije većega dela gasa, što se očituje svjetlosnim pojavama, kao u Kruksovoj cevi (Vilijam Kruks), a uz povećanje pritiska i napona, izbijanjem električnih iskara ili stvaranjem električnog luka.

Joni mogu nastati i zbog toplotnog kretanja atoma i molekula pri visokim temperaturama, na primer u plamenu. Tada atomi i molekuli imaju dovoljnu kinetičku energiju da u međusobnim sudarima jedni druge jonizuju. Pri visokoj temperaturi (10 000 K) nastaje plazma, električno provodna gasna smješa koja sadrži znatnu koncentraciju katjona i elektrona. Kod vrlo visokih temperatura, na primer kod jakih električnih pražnjenja, stvaraju se dvostruko ili višestruko jonizovani atomi i prirodna plazma. Na ekstremno visokim temperaturama, kao u unutrašnjosti zvezda, atomi mogu izgubiti sve elektrone. I deo Zemljine atmosfere (jonosfera) jonizovan je zbog stalne apsorpcije kozmičkog zračenja iz svemira i Sunčevog ultraljubičastog zračenja.

Jonizacija se odvija i u vodi i drugim rastvaračima kada se u njima rastvaraju i s njima reaguju takozvani potencijalni elektroliti, koji se pre elektrolitske disocijacije ne sastoje od jona. Tako na primer gas hlorovodonik () u reakciji s vodom daje hidronijum jon () i jon hlora (^–).

Jonizacija vazduha

Zbog velike gustine, elektricitet nastoji da napusti električni provodnik na šiljcima. To se vidi na primer u eksperimentu kada se stavi na kuglicu elektroskopa šiljak i kada se naelektriše. Može se videti da se listići elektroskopa brzo sklapaju. Uzrok tome je jonizacija vazduha. Zbog velike zakrivljenosti šiljka gotovo se sav elektricitet skuplja na vrhu, te u okolini šiljka vlada jako električno polje. Kako u vazduhu uvek ima pozitivnih i negativnih čestica, to jest jona, šiljak će privlačiti jone suprotnog predznaka, te zbog postepene neutralizacije nastaje gubitak električnog naboja. Joni, koje je pri tom privukao šiljak, dobivaju veliku brzinu i sudaraju se na putu s neutralnim molekulima vazduha. Posledica tih sudara je nastajanje novih jona. Nastajanje jona zbog njihovog sudara s neutralnim molekulama vazduha zove se jonizacija sudarom.^[12]

Merni instrumenti

Na načelu jonizacije zasnivaju se mnogi merni instrumenti u fizici i hemiji. Najpoznatiji su jonizacijska komora, Gajger-Milerovo brojilo, Vilsonova komora, različiti spektrometrijski instrumenti.

Jonizacijska komora

Glavni članak: Jonizacijska komora

Jonizacijska komora je uređaj za proučavanje jonizacije gasova, otkrivanje (detekciju) i merenje intenziteta jonizirajućeg zračenja. Glavni su joj delovi zatvorena cilindrična komora, u kojoj se nalazi gas pod određenim pritiskom, i dve elektrode s različitim potencijalima. To je jedan od prvih detektora jonizirajućeg zračenja čije se načelo detekcije zasniva na sabiranju jonskih parova koji nastaju u gasu u električnom polju komore. Prolaskom fotona ili neke nabijene čestice dovoljne energije kroz komoru, joniziraju se ili pobuđuju molekuli gasa uzduž staze čestice. Jonizacijom neutralnog molekula nastaju pozitivni jon i slobodni elektron, koji se nazivaju jonskim parom. Iz nastalih jonskih parova stvara se strujni signal, koji se dalje može oblikovati i pojačavati u izlazni signal, srazmeran intenzitetu (broju čestica i energiji) upadnog zračenja. Jonski parovi nastaju direktnim joniziranjem, ali su mogući i drugi procesi kojima upadno zračenje gubi energiju bez stvaranja jona (procesi pobuđivanja molekula).^[13]

Gajger-Milerovo brojilo

Glavni članak: Gajgerov brojač

Gajger-Milerov brojač je naprava za detekciju jonizirajućeg zračenja, odnosno brojanje prolaska jonizirajućih čestica ili fotona. Najčešća je izvedba brojila u obliku metalne cevi ili staklene cevi s metalnom oblogom, koja ujedno ima ulogu katode. Anoda je tanka metalna žica koja prolazi kroz osu cevi. Elektrode su spojene na visoki napon, a cev je ispunjena smesom plemenitog gasa (na primer argona ili neona). U trenutku kada jonizirajuća čestica ili foton u prolazu kroz brojilo jonizuje gas, produkti jonizacije (pozitivni joni i elektroni) razdvajaju se pod delovanjem električnog polja. Joni se ubrzano kreću prema katodi, a elektroni prema anodi i pritom u gasu uzrokuju daljnju, lavinsku jonizaciju. Time se nakratko zatvara strujno kolo i na otporniku u vanjskome delu kruga nastaje naponski impuls. Ti se impulsi odbrojavaju u elektronskom brojilu, koje često ima i mali zvučnik za zvučnu indikaciju zračenja. U takozvanom mrtvom vremenu, dok je gas jonizovan, brojilo ne može da indicira novo zračenje. Stoga se za prekidanje (gašenje) daljnje jonizacije i stalnog izboja u cev dodaju i male količine drugih gasova ili para. Važno svojstvo brojila je delotvornost, to jest odnos broja indiciranih i ulaznih čestica ili fotona. Gajger-Milerovo brojilo može služiti i za detekciju neutrona, premda oni, električno neutralni, ne uzrokuju jonizaciju. Međutim, neutroni mogu uzrokovati sekundarnu jonizaciju, i to oslobađanjem alfa-čestica u nuklearnoj reakciji s elementom borom, pa u tu svrhu cev brojača treba da sadrži gasoviti bor trifluorid.^[14]

Vilsonova komora

Glavni članak: Maglena komora

Vilsonova komora (po škotskom fizičaru Čarls Tomson Ris Vilsonu), prvi uređaj kojim se mogla registrovati staza nabijenih čestica, posebno alfa-čestica i elektrona emitovanih iz radioaktivnih materijala. U osnovi je to posuda ispunjena smesom vazduha i vodene pare, u kojoj se brzim povećanjem njene zapremine pomoću pokretne membrane i klipa, zbog pada pritiska i temperature, postiže prezasićenost vazduha vodenom parom, pri čemu dolazi do kondenzacije vodene pare duž staze nabijene čestice. Prolaskom kroz komoru, nabijena čestica izaziva jonizaciju molekula vazduha, koji tako postaju središta kondenzacije. Na tom osnovnom načelu razvijena je maglena komora (Patrik Bleket) i komora sa mehurićima (Donald A. Glejzer).^[15]

Zdravlje

Glavni članak: Merne jedinice jonizirajućeg zračenja

Jonizirajućim zračenjem jonizuje se i tkivo, pre svega voda kao glavni sastojak tkiva, pri čemu nastaju hemijski vrlo reaktivni radikali, koji uzrokuju ozbiljna biološka oštećenja organizma.

Upotrebe

Svakodnevni primeri jonizacije gasa javljaju se unutar fluorescentne lampe^[16][17][18] ili drugih sijalica sa električnim pražnjenjem.^[19] Takođe se koristi u detektorima zračenja kao što su Gajger-Milerov brojač^[20][21][22] ili jonizaciona komora.^[23][24][25] Proces jonizacije se široko koristi u različitoj opremi u fundamentalnoj nauci (npr. masena spektrometrija^[26][27][28]) i u medicinskom tretmanu (npr. terapija zračenjem^[29][30][31]). Takođe se široko koristi za prečišćavanje vazduha, iako su studije pokazale štetne efekte ove primene.^[32][33]

Proizvodnja jona

Efekat lavine u električnom polju stvorenom između dve elektrode. Prvobitni događaj jonizacije oslobađa jedan elektron, a svaki sledeći sudar oslobađa još jedan elektron, tako da iz svakog sudara izlaze dva elektrona: jonizujući elektron i oslobođeni elektron.

Negativno naelektrisani joni^[34] nastaju kada se slobodni elektron sudari sa atomom i zatim biva zarobljen unutar električne potencijalne barijere, oslobađajući višak energije. Proces je poznat kao jonizacija hvatanja elektrona.

Pozitivno naelektrisani joni nastaju prenošenjem određene količine energije vezanom elektronu u sudaru sa naelektrisanim česticama (npr. joni, elektroni ili pozitroni) ili sa fotonima. Granična količina potrebne energije poznata je kao jonizacioni potencijal. Proučavanje ovakvih sudara je od fundamentalnog značaja za problem malog broja tela, koji je jedan od glavnih nerešenih problema u fizici. Kinematički potpuni eksperimenti,^[35] tj. eksperimenti u kojima se određuje kompletan vektor momenta svih fragmenata sudara (rasuti projektil, povratni ciljni jon i izbačeni elektron), doprineli su velikom napretku u teorijskom razumevanju problema nekoliko-tela poslednjih godina.

Adijabatska jonizacija

Adijabatska jonizacija je oblik jonizacije u kojoj se elektron uklanja ili dodaje atomu ili molekulu u njegovom najnižem energetskom stanju da bi se formirao jon u najnižem energetskom stanju.^[36]

Taunsendovo pražnjenje je dobar primer stvaranja pozitivnih jona i slobodnih elektrona usled uticaja jona. To je kaskadna reakcija koja uključuje elektrone u regionu sa dovoljno visokim električnim poljem u gasovitom medijumu koji se može jonizovati, kao što je vazduh. Nakon prvobitnog događaja jonizacije, usled jonizujućeg zračenja, pozitivni jon se pomera ka katodi, dok se slobodni elektron pomera ka anodi uređaja. Ako je električno polje dovoljno jako, slobodni elektron dobija dovoljno energije da oslobodi još jedan elektron kada se sledeći sudari sa drugim molekulom. Dva slobodna elektrona zatim putuju ka anodi i dobijaju dovoljno energije od električnog polja da izazovu udarnu jonizaciju kada dođe do sledećih sudara; i tako dalje. Ovo je efektivno lančana reakcija generisanja elektrona i zavisi od toga da li slobodni elektroni dobiju dovoljnu energiju između sudara da održe lavinu.^[37]

Efikasnost jonizacije je odnos broja formiranih jona i broja upotrebljenih elektrona ili fotona.^[38][39]

Poluklasični opis jonizacije

Klasična fizika i Borov model atoma mogu kvalitativno da objasne fotojonizaciju i jonizaciju posredovanu sudarom. U ovim slučajevima, tokom procesa jonizacije, energija elektrona premašuje energetsku razliku potencijalne barijere koju pokušava da prođe. Klasični opis, međutim, ne može da opiše tunelsku jonizaciju jer proces uključuje prolazak elektrona kroz klasično zabranjenu potencijalnu barijeru.