ИОНИЗА́ЦИЯ

ИОНИЗА́ЦИЯ, 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 И. мо­гут и ио­ны, при этом по­вы­ша­ет­ся их крат­ность. Под И. по­нима­ют как эле­мен­тар­ный акт (И. ато­ма, мо­ле­ку­лы), так и со­во­куп­ность мно­же­ст­ва та­ких ак­тов (И. га­за, жид­ко­сти). И. мо­жет про­ис­хо­дить при столк­но­ве­ни­ях час­тиц (столк­но­ви­тель­ная, или удар­ная, И.), под дей­ст­ви­ем элек­тро­маг­нит­но­го из­лу­че­ния (фо­то­ио­ни­за­ция), под дей­ст­ви­ем элек­трич. по­ля (ио­ни­за­ция по­лем). И., 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 И. или при по­сле­до­ва­тель­ных ак­тах И. мо­гут ока­зать­ся в раз­ных ио­ни­зо­ван­ных со­стоя­ни­ях, ха­рак­те­ри­зуе­мых крат­но­стью И. Со­стоя­ние И. ука­зы­ва­ет­ся ли­бо ве­ли­чи­ной и зна­ком за­ря­да (напр., $\ce{O^+,\, O_3^+,\, Fe^{+24},\, H_2O^-}$), ли­бо, в слу­чае по­ло­жи­тель­но за­ря­жен­ных ио­нов, в ви­де спек­тро­ско­пич. сим­во­ла (напр., для при­ве­дён­ных вы­ше ио­нов ки­сло­ро­да и же­ле­за: $\ce{OII,\, OIV,\, FeXXV}$). Здесь рим. циф­рой ука­зы­ва­ет­ся чис­ло, на еди­ни­цу боль­шее за­ря­да ио­на. Циф­ра $\ce{I}$ со­от­вет­ст­ву­ет ней­траль­но­му ато­му. Ато­мы мо­гут быть ио­ни­зо­ва­ны до ядер. Мо­ле­ку­лы не бы­ва­ют силь­но за­ря­жен­ны­ми, т. к. они ста­но­вят­ся не­ус­той­чи­вы­ми и рас­па­да­ют­ся (дис­со­ции­ру­ют). Мак­си­маль­но воз­мож­ный от­ри­ца­тель­ный за­ряд ио­на оп­ре­де­ля­ет­ся срод­ст­вом к элек­тро­ну и не пре­вы­ша­ет трёх элек­трон­ных за­ря­дов (см. От­ри­ца­тель­ные ио­ны).

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

Столкновительная (ударная) ионизация

Важ­ней­шим ме­ха­низ­мом И. в га­зах и плаз­ме яв­ля­ет­ся И. при столк­но­ве­нии (уда­ре) сво­бод­но­го элек­тро­на с не­воз­бу­ж­дён­ны­ми или воз­бу­ж­дён­ны­ми ато­ма­ми или мо­ле­ку­ла­ми. Для от­ры­ва элек­тро­на из ато­ма, на­хо­дя­ще­го­ся в осн. со­стоя­нии, тре­бу­ет­ся за­тра­тить энер­гию ио­ни­за­ции, рав­ную энер­гии свя­зи. Энер­гия свя­зи осн. уров­ня ко­леб­лет­ся от ми­ним. 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. Ми­ним. зна­че­ние ки­не­тич. энер­гии ио­ни­зую­ще­го элек­тро­на на­зы­ва­ет­ся по­ро­гом И. Эле­мен­тар­ный акт И. час­ти­цей (или фо­то­ном) ха­рак­те­ри­зу­ет­ся эф­фек­тив­ным се­че­ни­ем И. Ве­ли­чи­на се­че­ния рас­тёт от ну­ля при по­ро­го­вой энер­гии до оп­ре­де­лён­но­го макс. зна­че­ния и за­тем плав­но умень­ша­ет­ся с уве­ли­че­ни­ем энер­гии. В слу­чае удар­ной И. се­че­ние мак­си­маль­но при от­ры­ве внеш­них ва­лент­ных элек­тро­нов и малó для внутр. элек­тро­нов. Ес­ли сво­бод­ный элек­трон об­ла­да­ет ки­не­тич. энер­ги­ей, дос­та­точ­ной, что­бы ото­рвать от ато­ма два элек­тро­на или бо­лее, то про­ис­хо­дит двух­элек­трон­ная или мно­го­элек­трон­ная И. Се­че­ние И. та­ких про­цес­сов зна­чи­тель­но мень­ше, чем се­че­ние од­но­элек­трон­ной ио­ни­за­ции.

Ес­ли энер­гия на­ле­таю­ще­го элек­тро­на мень­ше по­ро­га И., то атом мо­жет пе­рей­ти в воз­бу­ж­дён­ное со­стоя­ние, а ио­ни­зо­вать­ся при сле­дую­щем столк­но­ве­нии с др. элек­тро­ном. Та­кая И. на­зы­ва­ет­ся сту­пен­ча­той. И. га­за обыч­но осу­ще­ст­в­ля­ет­ся в не­сколь­ких по­сле­до­ва­тель­ных столк­но­ве­ни­ях (мно­го­сту­пен­ча­тая И.). 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 И. су­ще­ст­вен­на, ко­гда час­ти­цы ио­ни­зуе­мо­го ве­ще­ст­ва об­ла­да­ют ме­та­ста­биль­ным со­стоя­ни­ем, т. е. спо­соб­ны от­но­си­тель­но дол­гое вре­мя со­хра­нять энер­гию воз­бу­ж­де­ния. При бы­ст­ром рос­те чис­ла но­си­те­лей за­ря­дов, ко­гда воз­ни­ка­ет дос­та­точ­но вы­со­кая сте­пень И. сре­ды, про­ис­хо­дит элек­трич. 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 И. 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

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

Фотоионизация

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

Ионизация лазерным излучением

Обыч­но час­то­та ла­зер­но­го из­лу­че­ния 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 ио­ни­за­ция). Напр., в раз­ре­жен­ных па­ра́х ще­лоч­ных ме­тал­лов на­блю­да­лась И. с по­гло­ще­ни­ем 7–9 фо­тонов. В плот­ных га­зах И. ла­зер­ным из­лу­че­ни­ем не очень боль­шой ин­тен­сив­но­сти про­ис­хо­дит ком­би­ни­ро­ван­ным об­ра­зом. Сна­ча­ла мно­го­фо­тон­ная И. ос­во­бо­ж­да­ет «за­тра­воч­ные» элек­тро­ны. От них на­чи­на­ет­ся ла­вин­ная И. 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 И. про­ис­хо­дит при по­те­ре или за­хва­те ими элек­тро­нов. Энер­гия И. 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 И.). Ес­ли со­об­щае­мой элек­тро­нам энер­гии при по­гло­ще­нии твёр­дым те­лом фо­то­нов дос­та­точ­но для И., воз­мож­на фо­то­ио­ни­за­ция. И. про­ис­хо­дит так­же, ко­гда че­рез те­ло про­хо­дит по­ток за­ря­жен­ных (элек­тро­ны, про­то­ны) или ней­траль­ных (ней­тро­ны) час­тиц. Са­мо­стоят. ин­те­рес пред­став­ля­ет так­же удар­ная И. в силь­ном элек­трич. по­ле, на­ло­жен­ном на твёр­дое те­ло. В та­ком по­ле уча­ст­вую­щие в элек­тро­про­вод­но­сти элек­тро­ны в зо­не про­во­ди­мо­сти мо­гут при­об­ре­сти дос­та­точ­ную ки­не­тич. 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 И. Ве­ро­ят­ность удар­ной И. воз­рас­та­ет с рос­том на­пря­жён­но­сти элек­трич. по­ля. При не­ко­то­рой кри­тич. на­пря­жён­но­сти удар­ная И. при­во­дит к рез­ко­му уве­ли­че­нию плот­но­сти то­ка, т. е. к элек­трич. про­бою твёр­до­го те­ла.