Јонизација

Јонизациска енергија на неутрални хемиски елементи

Јонизација или јонизирање — процес во кој настануваат електrичните набиени честички, јони, од неутралните атоми или молекули. Јонизација може да предизвика друга електрична набиена честичка (јон, електрон, позитрон, мезон, протон, алфа-честичка, деутрон) која се движи низ гасовита, течна или цврста супстанцa, притоа треба кинетичката енергија на честичките да е доволно голема за да во судирот со неутралните атоми или молекули испушти од нив електрони. Најмалата енергија што е потребна за да се изведе овој процес е јонизационата енергија (јонизациски потенцијал), т.е. енергија која е доволна за изолираниот атом или молекула во гасовита состојба да изгуби еден електрон, при што настанува јонски пар: позитивен набиен јон и испуштен електрон. Енергијата на јонизација е мерка за способност на некој хемиски елемент да влезе во хемиска реакција, во настанување на јони. Првата енергија на јонизација се однесува на губитокот на најслабиот врзан електрон во неутралниот атом. Втората, поголема енергија на јонизација се однесува на јонизација на новонастанатиот катјон и така натаму. Вкупниот број на јонски парови настанати во единица должина на патот на честичките се нарекува јонизациска густина (специфична јонизација) и се мери најчесто со односот наспрема јонизациската густина во воздух. Таа зависи од енергија, маса и наелектризирани честички, за разлика од тоталната јонизација, т.е. вкупниот број јонски парови настанати долж целата должина на честичките, која зависи главно само од енергијата со која честичката влегла во супстанцата. Атомот или молекулата можат со помош на јонизацијата да изгубат по еден или повеќе електрони, а испуштениот електрон може само за кратко време да остане слободен, а потоа може да се врзе со некој неутрален атом или молекула и така да настане негативно набиен јон, или пак може да се врзе со некој позитивно набиен јон. Просечниот пат на ослободениот електрон кој го проаѓа пред да се сврзе со друга честичка најчесто се нарекува среден слободен пат и зависи од притисок на гаста и степенот на јонизација, т.е. од соодносот измеѓу бројот на настанатите јони и преостанатите неутрални атоми, односно молекули. Движејќи се, честичките кои ја предизвикуваат јонизацијата постепено губат енергија и конечно може да запрат. Во воздухот при температура од 15 целзиусови степени и притисок од 101 325 паскали, потрошената енергија за настанување на еден јонски пар изнесува околу 32,5 електронволти и не зависи од предизвикувачот на јонизацијата.

Заедно со примарната јонизација, чиј директен причинител е честичката, тука е и секундарната јонизација, т.е. процесот на настанување на јони при дејство на електрони и јони кои се настанати преку примарна јонизација, ако при нивното настанувањето добиле доволно голема енергија. Неутралните честички, на пример неутрони или неутралните мезони, можат да причинат само секундарна јонизација, со предавање на целата своја енергија или само дел од неа предавајќи на некоја електризирана набиена честичка, на пример протон.

Енергија на јонизација

Енергија на јонизација или јонизациска енергија е енергија потребна за да атомот или молекулата во гасовита состојба испушти еден електрон. Најтешко се јонизираат благородните гасови. Но некои молекули потешко се јонизираат од хелиумот, на пример јонизациската енергија на кислород изнесува 50 eV, на озонот 11,7 eV, на водата 12,6 eV. Испуштениот електрон може кратко време да остане слободен, може да се сврзе со некој неутрален атом или молекула и така да створи негативно набиен јон, или да се спои со некој позитивно набиен јон. Колку долго електронот ќе остане слободен зависи најмногу од притисокот на гаста , температурата и степенот на јонизација, т.е. бројот на настанатите јони и преостанатите неутрални атоми. Честичката која ја предизвикува јонизацијата постапно, со секој нејзин судир, ја губи својата кинетичка енергија. Секундарната јонизација е процес на настанување на јони на кои делуваат електрони и јони кои настанале со примарна јонизација, ако притоа при нивното настанување се здобиле со доволно голема кинетичка енергија.

Причини за јонизација

Јонизацијата може да предизвика електромагнетно или зрачење на честичките при доволна голема енергија( ултравиолетово зрачење, рендгенско, гама-зрачење), така што еден од врзаните електрони во атомот ја презема целата енергија на квантно зрачење, или пак електронот презема само дел од таа енергија. Јонизацијата предизвикува и јонизирачко зрачење (радиоактивно зрачење).

Јонизацијата може да предизвика триење измеѓу слоевите на супстанциите. Така настанува електричен полнеж.

Електрично празнење на гаста, исто така се сведува на јонизација. Ако нема делување од страна на електричното поле, јоните створени во некоја гас бргу се рекомбинираат и гаста повторно се враќа во неутрална состојба. Но ако гаста се наоѓа во електрично поле, настанатите јони се движат во насока на електродите, и тоа негативно наелектризираните кон анодите, а позитивно наелектризираните кон катодите. На тој начин настанува струја на јонизација. При мали притисоци и во доволно јако електрично поле настанува електрично празнење. Поради дејството на полето така настанатите јони, движејќи се кон електродите, добиваат доволно енергија, па и тие јонизираат други атоми и молекули. Таа појава се нарекува каскаден процес, а причината е јонизацијата на поголемиот дел на гаста, што се манифестира од светлосните појави, како на пример во Крукесовата цевка , а со засилувањето на притисокот и напонот се создава избивање на електричните искри или создавање на електричен лак.

Јоните можат да настанат и поради топлинското движење на атомите и молекулите при високи температури, на пример во пламенот. Тогаш атомот и молекулата имаат доволно кинетичка енергија за да во меѓусебните судири едни со други се јонизираат. При висока температура (10 000 келвини) настанува плазма, електрички спроводлива мешавина од гасови која содржи значајна концентрација катјони и електрони. Кај премногу високите температури, на пример кај јаките електрични празнења, се создаваат двојно повеќе јонизирани атоми и природна плазма. На екстремно високи температури, како на пример во внатрешноста на ѕвездите, атомите можат да ги изгубат сите електрони. Делот од Земјината атмосфера (јоносфера), е јонизиран поради постојана апсорпција на космичко зрачење од вселената и Сончевите ултравиолетови зрачења.

Јонизацијата се случува и во водата и другите растворувачи и со нив реагираат таканаречените потенцијални електролити, кои пред електролитската дисоцијација не сочинуваат јони. Така на пример Хлороводородна киселина (HCl) во реакција со водата дава јон (H3O+) и јон на хлор (Cl–).

Јонизациска енергија на атомите

Трендот на енергетската јонизација на атомите често се користи за да се покажат периодичните однесување на атомите во однос на атомски броеви кои се дадени од страна на Менделеевата таблица. Ова е важна алатка за утврдување и разбирање на редот на електроните во атомските орбитали без да навлегуваме во деталите на брановите функции или во процесот на јонизација. Периодичното нагло намалување на јонизацискиот потенцијал во ретки гасни атоми, на пример, укажува на појава на нова обвивка во алкалните метали. Покрај тоа, локалниот maximums во парцелата на јонизациската енергија, се движи од лево кон десно по ред за s, p, d и f обвивките.

Полукласичен опис на јонизација

Класичната физика и моделот на Боровиот атом можат квалитетно да ја објаснат фотојонизацијата. Во овие случаи, за време на процесот на јонизација, енергијата на електронот ја надминува разликата помеѓу енергиите од потенцијалната бариера што се обидува да помине.

Квантно-механички опис на јонизација

Интеракцијата на атомите и молекулите со доволно силен ласерски импулс доведува до јонизација на поединечни или повеќе наелектризирани јони. Стапката на јонизација, односно веројатноста на јонизацијата во единица време, може да се пресмета само со користење на квантната механика. Во принцип, аналитички решенија не се на располагање, и апроксимациите потребни за да управуваме со бројчени пресметки не обезбедуваат доволно точни резултати. Меѓутоа, кога интензитетот на ласерот е доволно висок, деталната структура на атомот или молекулата може да се игнорира и аналитичко решение за стапката на јонизација е можно.

Мерни инструменти

Во принципот на јонизација се засноваат многу мерни инструменти, како во физиката, така и во хемијата. Најпознати се јонизациската комора, Геигер-Мулеровото броило, Вилсоновата комора, и различните спектрометарски инструменти.

• Јонизациона комора

Јонизациската комора е уред за проучување на јонизацијата на гасовите, отркивање (детекција) и мерење на интензитетот на јонизирачкото зрачење. Главни делови на оваа комора се: затворена цилиндрична комора ( во која се наоѓа гас под одреден притисок) и две електроди. Таа претставува еден од првите детектори за јонизирачко зрачење во кое основата на детекцијата се заснова на собирање на јонски парови кои настануваат во гаста во електричното поле на комората. Со јонизирање на неутралните молекули настануваат позитивни јони и слободни електрони, кои се нарекуваат јонски пар. Од настанатите јонски парови се создава струен сигнал, кој понатака може да се обликува и засилува во излезен сигнал, пропорционален со интензитетот ( бројот на честички и енергија) на дојдовното зрачење. Јонските парови настануваат директно со јонизирање, но можни се и други процеси во кои упадното зрачење ја губи енергијата без создавање на јони (процес на возбудување на молекулите).

• Гајгер-Мулеровото броило

Геигер-Мулеровото броило е направа за детекција на јонизирачкото зрачење, односно броење на минување на јонизираните честички или фотони. Најчеста е изведбата на броилата во облик на метална цевка или стаклена цевка со метален облог, која воедно има улога на катода. Анодата во овој случај е тенката метална жица која поминува низ цевката. Електродите се споени под висок напон, а цевката е исполнета со смеса од благороден гас (на пример аргон или неон). Во моментот кога јонизирачката честичка или фотон минува низ броилото ја јонизира гаста, производите на јонизација ( позитивни јони и електрони) се раздвојуваат под дејство на електричното поле. Јоните забрзано се движат кон катодата, а електроните према анодата, и притоа во гасот предизвикуваат понатамошна лавинска јонизација. Со тоа накратко се затвора струјниот круг и на отпорникот во надворешниот дел на кругот настанува напонски импулс. Тие импулси се пребројуваат во електричното броило, кое често има и мал звучник за звучна индикација на зрачењето. Важно е делотворноста на својствата на броилото, т.е. односот на бројот на присутните и бројот на внесените честички или фотони. Геигер-Мулеровото броило може да служи за детекција на неутрони, но притоа тие, да не предизвикаат јонизација. Меѓутоа, неутроните можат да предизвикаат секундарна јонизација, и тоа со ослободување на алфа-честички во јадрени реакции со помош на хемискиот елемент бор, па за таа цел цевката за броење треба да содржи гасовит бор трифлуорид.

• Вилсонова комора

Вилсоновата комора ( именувана по шкотскиот физичар, Чарлс Томсон Рис Вилсон) е прв уред со која се можел да се регистрира патот на набиените честички, посебно алфа-честичките и електроните кои се емитиранни од радиоактивните материјали. Во основа тоа претставува сад исполнет со смеса од воздух и водена пареа, во која со брзо засилување на нејзиниот волумен, со помош на поместувачка мембрана и клип, заради падот на притисокот и температурата, се постигнува презаситеност на воздухот, при што доаѓа до кондензација на водената пареа долж патеката на набиените честички. При минувањето низ комората, набиените честички предизвикуваат јонизација на молекулата на воздухот кои така стануваат срединшна точка на кондензација. На таа основа е развиена и маглената комора (Патрик Блекет) и комората на меурчиња ( Доналд Глејсер).

Здравје

При јонизирачко зрачење се јонизира ткивото, пред сè водата како главна состојка на ткивото, при што настануваат хемиски многу реактивни радикали, кои предизвикуваат сериозни биолошки оштетувања на организмот.