Ионизация
Ионизация, образование положительных и отрицательных ионов и свободных электронов из электрически нейтральных атомов и молекул. Термином "И." обозначают как элементарный акт (И. атома, молекулы), так и совокупность множества таких актов (И. газа, жидкости).
1) И. в газе и жидкости. Для разделения нейтрального невозбуждённого атома (молекулы) на две или более заряженные частицы, т. е. для его И., необходимо затратить энергию И. W. Для всех атомов данного элемента (или молекул данного химического соединения), ионизующихся из основного состояния одинаковым образом (с образованием одинаковых ионов), энергия И. одинакова. Простейший акт И. - отщепление от атома (молекулы) одного электрона и образование положительного иона. Свойства частицы по отношению к такой И. характеризуют её ионизационным потенциалом, представляющим собой энергию И., деленную на заряд электрона.
Присоединение электронов к нейтральным атомам или молекулам (образование отрицательного иона), в отличие от других актов И., может сопровождаться как затратой, так и выделением энергии; в последнем случае говорят, что атомы (молекулы) данного вещества обладают сродством к электрону.
Если энергия И. W сообщается ионизуемой частице другой частицей (электроном, атомом или ионом) при их столкновении, то И. называется ударной. Вероятность ударной И. (характеризуемая эффективным поперечным сечением И.) зависит от рода ионизуемых и бомбардирующих частиц и от кинетической энергии последних Eк: до некоторого минимального (порогового) значения Eк эта вероятность равна нулю, при увеличении Eк выше порога она вначале быстро возрастает, достигает максимума, а затем убывает (рис. 1). Если энергии, передаваемые ионизуемым частицам 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 частиц. Это явление известно под названием "обдирки" пучка частиц; налетающие нейтральные атомы, теряя свои электроны, превращаются в ионы, а у налетающих ионов заряд увеличивается. Обратный процесс - захват электронов от ионизуемых частиц налетающими положительными ионами называется перезарядкой ионов (см. также Столкновения атомные).
В определённых условиях частицы могут ионизоваться и при столкновениях, в которых передаётся энергия, меньшая W: сначала атомы (молекулы) возбуждаются ударами, после чего для их И. достаточно сообщить им энергию, равную разности W и энергии возбуждения. Таким образом, "накопление" необходимой для И. энергии осуществляется в нескольких последовательных столкновениях. Подобная И. называется ступенчатой. Она возможна, если столкновения происходят столь часто, что частица в промежутке между двумя соударениями не успевает потерять энергию, полученную в первом из них (достаточно плотные газы, высокоинтенсивные потоки бомбардирующих частиц). Кроме того, механизм ступенчатой И. очень существен в случаях, когда частицы ионизуемого вещества обладают метастабильными состояниями, т. е. способны относительно долгое время сохранять энергию возбуждения.
И. может вызываться не только частицами, налетающими извне. Когда энергия теплового движения атомов (молекул) вещества достаточно велика, они могут ионизовать друг друга при взаимных столкновениях - происходит термическая И. Значительной интенсивности она достигает при температурах ~103-104K, например в пламени, в дуговом разряде, ударных волнах, в звёздных атмосферах. Степень термической И. газа как функцию его температуры и давления можно оценить из термодинамических соображений (см. Саха формула).
Процессы, в которых ионизуемые частицы получают энергию И. от фотонов (квантов электромагнитного излучения), называют фотоионизацией. Если атом (молекула) невозбуждён, то энергия ионизующего фотона hn (h - Планка постоянная, n - частота излучения) должна быть не меньше энергии И. W. Для всех атомов и молекул в газах и жидкостях W такова, что этому условию удовлетворяют лишь ультрафиолетовые и более жёсткие фотоны. Однако фотоионизацию наблюдают и при hn < W, например при облучении видимым светом. Объясняется это тем, что она может иметь характер ступенчатой И.: сначала поглощение одного фотона возбуждает частицу, после чего взаимодействие со следующим фотоном приводит к И. В отличие от ударной И., вероятность фотоионизации максимальна именно при пороговой энергии фотона hn < W, а затем с ростом n падает. Максимум сечения фотоионизации в 100-1000 раз меньше, чем при ударной И. Меньшая вероятность компенсируется во многих процессах фотоионизации значительной плотностью потока фотонов, и число актов И. может быть очень большим.
Если разность hn - W относительно невелика, то фотон поглощается в акте И. Фотоны больших энергий (рентгеновские, g-кванты), затрачивая при И. часть энергии DE, изменяют свою частоту на величину Dn = DE/h (см. Комптона эффект). Такие фотоны, проходя через вещество, могут вызвать большое число актов фотоионизации. Разность DE - W (или hn - W при поглощении фотона) превращается в кинетическую энергию продуктов И., в частности свободных электронов, которые могут совершать вторичные акты И. (уже ударной).
Большой интерес представляет И. лазерным излучением. Его частота, как правило, недостаточна для того, чтобы поглощение одного фотона вызвало И. Однако чрезвычайно высокая плотность потока фотонов в лазерном пучке делает возможной И., обусловленную одновременным поглощением нескольких фотонов (многофотонная И.). Экспериментально в разреженных парах щелочных металлов наблюдалась И. с поглощением 7-9 фотонов. В более плотных газах лазерная И. происходит комбинированным образом. Сначала многофотонная И. освобождает несколько "затравочных" электронов. Они разгоняются полем световой волны, ударно возбуждают атомы, которые затем ионизуются светом, но с поглощением меньшего числа фотонов.
Фотоионизация играет существенную роль, например, в процессах И. верхних слоев атмосферы (см. Ионосфера), в образовании стримеров при пробое электрическом газа и т. д.
Ионизованные газы и жидкости обладают электропроводностью, что, с одной стороны, лежит в основе разнообразных применений процессов И., а с другой стороны, даёт возможность измерять степень И. этих сред, т. е. отношение концентрации заряженных частиц в них к исходной концентрации нейтральных частиц.
Процессом, обратным И., является рекомбинация ионов и электронов - образование из них нейтральных атомов и молекул. Защищенный от внешних воздействий газ при обычных температурах в результате рекомбинации очень быстро переходит в состояние, в котором степень его И. пренебрежимо мала. Поэтому поддержание заметной И. в газе возможно лишь при действии внешнего ионизатора (потоки частиц, фотонов, нагревание до высокой температуры). При определённой концентрации заряженных частиц ионизованный газ превращается в плазму, резко отличающуюся по своим свойствам от газа нейтральных частиц.
Особенность И. жидких растворов состоит в том, что в них молекулы растворённого вещества распадаются на ионы уже в самом процессе растворения без всякого внешнего ионизатора, за счёт взаимодействия с молекулами растворителя. Взаимодействие между молекулами приводит к самопроизвольной И. и в некоторых чистых жидкостях (вода, спирты, кислоты). Этот дополнительный механизм И. в жидкостях называется электролитической диссоциацией.
2) И. в твёрдом теле - процесс превращения атомов твёрдого тела в заряженные ионы, связанный с переходом электронов из валентной зоны кристалла в зону проводимости (в случае примесных атомов - с потерей или захватом ими электронов). Энергия И. W в твёрдом теле имеет величину порядка ширины запрещенной зоны E? (см. Твёрдое тело). В кристаллах с узкой запрещенной зоной электроны могут приобретать W за счёт энергии тепловых колебаний атомов (термическая И.); при фотоионизации необходимые энергии сообщаются электронам проходящими через твёрдое тело (или поглощаемыми в нём) фотонами. И. происходит также, когда через тело проходит поток заряженных (электроны, протоны) или нейтральных (нейтроны) частиц.
Особый интерес представляет ударная И. в сильном электрическом поле, наложенном на твёрдое тело. В таком поле участвующие в электропроводности электроны в зоне проводимости могут приобрести кинетические энергии большие, чем E?, и "выбивать" 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 появляется два "медленных", которые, ускоряясь в поле, могут, в свою очередь, стать "быстрыми" и вызвать И. Вероятность ударной И. возрастает с ростом напряжённости электрического поля. При некоторой критической напряжённости ударная И. приводит к резкому увеличению плотности тока, т. е. к электрическому пробою твёрдого тела.
Лит.: Грановский В. Л., Электрический ток в газе. Установившийся ток, М., 1971; Месси Г., Бархоп Е., Электронные и ионные столкновения, пер. с англ., М., 1958; Энгель А., Ионизованные газы, пер. с англ., М., 1959; Федоренко Н. В., Ионизация при столкновениях ионов с атомами, "Успехи физических наук", 1959, т. 68, в. 3; Атомные и молекулярные процессы, под ред. Д. Бейтса, пер. с англ., М., 1964; Вилесов Ф. И., Фотоионизация газов и паров вакуумным ультрафиолетовым излучением, "Успехи физических наук", 1963, т. 81, в. 4; Райзер Ю. П., Пробой и нагревание газов под действием лазерного луча, там же, 1965, т. 87, в. 1; Физика твёрдого тела, сб. статей, ?2, М.-Л., 1959; Вул Б. М., О пробое переходных слоев в полупроводниках, "Журнал технической физики", 1956, т. 26, в, 11; Келдыш Л. В., Кинетическая теория ударной ионизации в полупроводниках, "Журнал экспериментальной и теоретической физики", 1959, т.37, в. 3.