Ионизация атома происходит когда электроны добавляются. Ионизация и её функции
ИОНИЗАЦИЯ - превращение атомов и молекул в ионы. Степень ионизации - отношение числа ионов к числу нейтральных частиц в единице объема. Большой энциклопедический словарь
Энергией ионизации (Е ион) называется энергия, затрачиваемая на отрыв электрона от атома и превращение атома в положительно заряженный ион .
Экспериментально ионизацию атомов проводят в электрическом поле, измеряя разность потенциалов, при которой происходит ионизация. Эта разность потенциалов называется ионизационным потенциалом (J). Единицей измерения ионизационного потенциала является эВ/атом, а энергии ионизации – кДж/моль; переход от одной величины к другой осуществляется по соотношению:
Е ион = 96,5·J
Отрыв от атома первого электрона характеризуется первым ионизационным потенциалом (J 1), второго – вторым (J 2) и т.д. Последовательные потенциалы ионизации возрастают (табл. 1), так как каждый следующий электрон необходимо отрывать от иона с возрастающим на единицу положительным зарядом. Из табл. 1 видно, что у лития резкое увеличение ионизационного потенциала наблюдается для J 2 , у бериллия – для J 3 , у бора – для J 4 и т.д. Резкое увеличение J происходит тогда, когда заканчивается отрыв внешних электронов и следующий электрон находится на предвнешнем энергетическом уровне.
Т а б л и ц а 1
Потенциалы ионизации атомов (эВ/атом) элементов второго периода
| Элемент | J 1 | J 2 | J 3 | J 4 | J 5 | J 6 | J 7 | J 8 |
| Литий | 5,39 | 75,6 | 122,4 | – | – | – | – | – |
| Бериллий | 9,32 | 18,2 | 158,3 | 217,7 | – | – | – | – |
| Бор | 8,30 | 25,1 | 37,9 | 259,3 | 340,1 | – | – | – |
| Углерод | 11,26 | 24,4 | 47,9 | 64,5 | 392,0 | 489,8 | – | – |
| Азот | 14,53 | 29,6 | 47,5 | 77,4 | 97,9 | 551,9 | 666,8 | – |
| Кислород | 13,60 | 35,1 | 54,9 | 77,4 | 113,9 | 138,1 | 739,1 | 871,1 |
| Фтор | 17,40 | 35,0 | 62,7 | 87,2 | 114,2 | 157,1 | 185,1 | 953,6 |
| Неон | 21,60 | 41,1 | 63,0 | 97,0 | 126,3 | 157,9 |
Ионизационный потенциал является показателем «металличности» элемента: чем он меньше, тем легче отрывается электрон от атома и тем сильнее должны быть выражены металлические свойства элемента. Для элементов, с которых начинаются периоды (литий, натрий, калий и др.), первый ионизационный потенциал равен 4–5 эВ/атом, и эти элементы являются типичными металлами. У других металлов значения J 1 больше, но не более 10 эВ/атом, а у неметаллов обычно больше 10 эВ/атом: у азота 14,53 эВ/атом, кислорода 13,60 эВ/атом и т.д.
Первые ионизационные потенциалы в периодах увеличиваются, а в группах уменьшаются (рис. 14), что свидетельствует об увеличении неметаллических свойств в периодах и металлических в группах. Поэтому неметаллы находятся в правой верхней части, а металлы – в левой нижней части периодической системы. Граница между металлами и неметаллами «размыта», т.к. большинство элементов обладают амфотерными (двойственными) свойствами. Тем не менее, такую условную границу можно провести, она показана в длинной (18-клеточной) форме периодической системы, которая имеется здесь в аудитории и в справочнике.
Рис. 14. Зависимость ионизационного потенциала
от атомного номера элементов первого – пятого периодов.
Пример 10 . Ионизационный потенциал натрия равен 5,14 эВ/атом, а углерода 11,26 эВ/атом. Чему равна их энергия ионизации?
Решение. 1) Е ион (Na) = 5,14·96,5 = 496,0 кДж/моль
2) Е ион (С) = 11,26·96,5 = 1086,6 кДж/моль
Ионизация - процесс отделения электронов от нейтрального атома или молекулы - возможна при затрате энергии на преодоление притяжения между вырываемым электроном и остальной частью атома. Эту энергию называют работой ионизации А. Если ионы образуются после столкновения быстрого электрона с атомом, то такая ионизация называется ударной.
Наименьшее значение кинетической энергии электронов, при которой происходит ионизация, чуть больше работы ионизации А i:А i = (mv 2 /2)/(1+m/M).
Отношение масс электрона и атома всегда малая величина, например для атома водорода m/M=5,443x10 -4 , и величина, стоящая в скобках, близка к единице. Разность потенциалов, при прохождении которой электрон или другая частица с таким же зарядом приобретает кинетическую энергию, равную работе ионизации, называют потенциалом ионизации: V i:V i =А i /e.
Наиболее точный способ определения потенциала ионизации состоит в измерении энергий переходов атомов при изучении их линейчатых спектров. Наиболее наглядный способ - это измерение потенциала между катодом К и сеткой С газоразрядной трубки JI (см. рис.). Если давление в трубке невелико, то электроны, испущенные накаленным катодом, в промежутке К - С не сталкиваются с молекулами газа. При этих условиях энергия электронов, прошедших сквозь сетку, будет равна V e . Такие электроны не смогут достигнуть коллектора K 2 , поскольку его потенциал меньше V e на величину ∆V В результате ток в гальванометре Г будет равен нулю. При увеличении V до значений V > V min в цепи гальванометра появится ток: в объеме С - K 2 образуются положительные ионы, которые притягиваются сборником K 2
Ионизация электронным ударом - один из многих способов получения ионов. В газе, нагретом до высокой температуры, например в солнечной короне, атомы ионизируются, сталкиваясь между собой. Много ионов и в обычном пламени. Так, горящая свеча разряжает электроскоп.
Кванты электромагнитного излучения выбивают из атомов электроны, если обладают достаточной энергией. Такой процесс называют фотоионизацией. Рентгеновские лучи, γ-кванты (см. Гамма-излучение) оставляют в газах следы из ионизированных атомов.
В газе, нагретом до высокой температуры, атомы движутся с большой скоростью и, сталкиваясь друг с другом, теряют электроны. Этот вид ионизации газа - термическая ионизация. Если температура вещества достигает многих миллиардов градусов, атомы теряют все электроны, и образуется смесь атомных ядер и электронов - высокотемпературная плазма. Атомы, потерявшие несколько электронов, называют многозарядными ионами. В солнечном излучении было открыто несколько спектров, не совпадающих ни с одним спектром нового элемента. Казалось, что обнаружена целая группа еще не открытых элементов. Однако вскоре выяснилось, что необычные спектры принадлежат многозарядным ионам обычных элементов и только гелий - новый элемент, впервые обнаруженный на Солнце по его спектру.
Наверно, любой, кто хоть в какой-то степени интересуется точными науками, хоть раз, но задавался вопросом, что такое ионизация? Под данным определением подразумевается эндотермический процесс, в результате которого из электрически нейтральных частиц (атомов, молекул) образуются ионы. Рассмотрим более подробно, что представляет собой данный процесс.
Виды ионизации
Ионизация может протекать по-разному, и в зависимости от этого могут образовываться как положительные, так и отрицательные ионы. Еще со школьной скамьи нам говорили на уроках физики, что каждый электрон удерживается около своих хозяев (атомов) посредством электрического барьера, который не дает им разлететься в разные стороны. За счет него, собственно, и существует сама молекула.
Однако электрон может получить энергию достаточной величины, чтобы разрушить электрический барьер и освободиться от опеки атома или молекулы. В этом случае ион становится положительным. И наоборот, отрицательный ион образуется путем захвата дополнительного электрона. Сила, о которой было упомянуто, это не что иное, как энергия ионизации.
Существует два основных типа этого процесса:
- последовательная (классическая);
- непоследовательная (квантовая).
При этом первый тип - это процесс, который протекает согласно известным физическим законам. Квантовая же ионизация может нарушить некоторые классические представления о физике.
По законам классической физики
Согласно законам физики, в классическом понимании в отношении модели атома Бора атомная и молекулярная ионизация являются детерминированными процессами. То есть любую проблему можно определить и решить путем вычислений. Иными словами, чтобы электрону покинуть пределы атома, ему необходима такая энергия, которая превысит значения барьера.
Можно провести сравнение с человеком: чтобы ему перепрыгнуть метровую стену, необходимо подпрыгнуть на такую же высоту или даже больше, чтобы наверняка. В отношении модели Бора то же самое - электрон не сможет вырваться, не превысив препятствие равное 13,6 эВ. Как минимум ему необходимо обладать таким же зарядом энергии.
Но что такое ионизация последовательного типа? Ее суть кроется в самом названии. То есть значение заряда изменяется только последовательно и никак иначе. К примеру, ион может получить заряд +2 лишь от другого иона, у которого это значение равно +1 либо +3. Иными словами изменение заряда происходит на предыдущее или последующее прилегающее число.
Положительные ионы
Согласно рассмотренному выше принципу, энергия, которая будет потрачена на высвобождение электрона, должна равняться иди даже превосходить потенциальную разницу между текущей атомической связью (молекулярная орбиталь) и орбиталью самого высокого уровня.
Поглощенная энергия может быть выше потенциала, тогда для электрона нет никаких препятствий, и он становится свободным. В противном случае частица будет находиться в возбужденном состоянии, пока энергия не рассеется и он не перейдет в нейтральное состояние.
Отрицательные ионы
Как уже известно из описанного выше, что при ионизации такой свободный электрон должен обладать большой энергией или, в крайнем случае, быть такой же силы, как значение барьера, чтобы его преодолеть. И если она у него имеется, то у электрона остается минимальный энергетический заряд, а все остальное рассеивается. В ином случае он становится подвластным электростатической силе описанной законом Кулона в отношении потенциального энергетического барьера.
Квантовый процесс
Генрихом Герцем в 1887 году было установлено, что из тела возможен вылет электронов под воздействием света, что послужило открытием фотоэффекта. Однако это противоречило волновой теории света, которая не в состоянии объяснить происходящие в нем законы, а также разделение энергии в спектре электромагнитного излучения.
13 лет спустя другим физиком-теоретиком из Германии Максом Планком было установлено, что тела способны не только поглощать электромагнитную энергию, но и испускать ее. Причем делается это определенными порциями или квантами. В какой-то степени это объясняло ионизацию атомов.
В 1905 году Альберт Эйнштейн попытался выдвинуть предположение для объяснения квантовой теории. Фотоны, которые могут, как излучаться, так и поглощаться, наделяют электроны достаточной энергией для преодоления потенциального барьера. В этом случае речь идет как раз о квантовой ионизации.
Воздушная среда
Что же относительно ионизации воздуха? Как мы знаем, это та среда, которая необходима для существования всего живого на земле. Причем она содержит различные газы, большая часть из которых - это кислород и азот. В зависимости от территориального расположения состав воздуха различен. К примеру, на морском побережье он разбавлен водными частицами, схожими с плазмой человеческой крови.
Как мы теперь знаем, ионизация - это процесс, при котором образуются положительные и отрицательные ионы. Но что такое ионизация воздуха? Ответ далее. Стоит заметить, что процесс этот происходит под воздействием разного рода факторов:
- электромагнитного излучения;
- электрического поля;
- высокой температуры.
При этом сам процесс может протекать в зависимости от характера образования ионов и быть:
- естественным;
- технологическим;
- искусственным.
Что характерно, положительные ионы вредны для человеческого организма, поскольку могут вызывать утомление, головную боль. Также вследствие поступления недостаточного количества кислорода в кровь учащается пульс и дыхание. Пользу приносят как раз отрицательные ионы.
Польза ионизированного воздуха
Как отмечают многие специалисты, ионизированный воздух положительно сказывается на нашем организме.
Каждый раз при вдохе общее состояние человека улучшается, что приводит к положительным эффектам:
- повышается уровень работоспособности;
- укрепляется иммунитет;
- уходит депрессия;
- сон приходит в норму.
Теперь уже ясно, что такое ионизация воздуха. В целом, благодаря этому процессу, в помещении создается благоприятный микроклимат. Другие даже считают, что это верное средство по достижению долголетия. Кроме того, данный процесс позволяет устранить табачный дым, грибки с их спорами, а также прочие вирусы, микробы и возбудители некоторых заболеваний.
Естественные и искусственные ионизаторы
Пример естественной ионизации - сама природа, для чего используются растения. И преимущественно это хвойные породы деревьев (сосна, ель). Воздух обогащается ионами в разное время под воздействием следующих факторов:
- грозы;
- ультрафиолетовых лучей;
- в местах дробления воды (водопады);
- рентгеновского либо теплового излучения.
В середине прошлого столетия известным русским ученым А.Л. Чижевским был разработан аэроионизатор, чтобы проводить искусственную ионизацию воздуха. С его помощью проводились краткие оздоровительные процедуры под чутким присмотром медицинского персонала.
Другой его прибор именуется как люстра Чижевского, который почему-то ошибочно прозвали лампой. Он вырабатывал только отрицательные ионы, но при этом образовывалось много озона - более допустимой нормы.
Водная среда
Теперь пора познакомиться с ионизаций воды. Так же, как и воздух, она является жизненно необходимой средой. На планете воды больше чем суши, все мы на 2/3 состоим из жидкости, и вдобавок многочисленные процессы на земле не обходятся без ее участия. И с исчезновением воды вся жизнь на Земле прекратит свое существование.
В зависимости от источника молекулы воды могут отличаться по разным параметрам, и одним из таковых является водный кластер. Что это такое? Это совокупность молекул, которые соединены между собой посредством водородных связей. Измеряется в герцах (Гц). У различной разновидности воды он следующий:
- у водопроводной - 106;
- у дождевой - 119;
- у вешней - 122;
- у дистиллированной - 118;
- у колодезной - 105;
- у минеральной - 94;
- у ионизированной - 48.
Именно меньшие размеры кластера позволяют ионизированной воде эффективным образом проникать в обезвоженные ткани тела человека. К тому же у нее очень малое поверхностное натяжение.
Польза ионизированной воды
Что касается функции ионизации, то вода, которая подверглась такому процессу, в такой же степени полезна, как и воздух. Ее можно даже назвать живой, водой и по своей сути это - природный биостимулятор. Благодаря ему происходит активация всех процессов в организме, что приводит к улучшению аппетита, обмена веществ и общего самочувствия.
Помимо этого, можно выделить следующие полезные свойства ионизированной живой воды:
- Способствует скорейшему заживлению ран.
- Благоприятно воздействует на кожу, смягчая ее.
- Разглаживает морщины.
- Решает проблему перхоти и улучшает внешний вид волос.
В нашем организме постоянно проходит обмен веществ, в результате чего уже старые (мертвые) клетки превращаются в отходы. И исходом метаболизма становятся кислотные отходы, от которых наш организм избавляется через мочеиспускание и потоотделение.
Но что такое ионизация и как все это может быть связано со здоровьем? Дело в том, что накаливающийся мусор может быть и твердым (холестерин, жирные кислоты, камни в почках и так далее). Со временем он накапливается в нашем организме, приводя к старению и различным заболеваниям. Вода, для которой характерен небольшой размер кластера (ионизированная), способствует избавлению от ненужного мусора. Ведь чем меньше кислотных отходов будет в организме, тем медленнее протекает процесс старения.
В то же время такая вода - это не лекарство от всех болезней. Тем не менее регулярное ее употребление поможет омолодить организм, повышая его иммунитет.
Забота о волосах
Наши волосы тоже нуждаются в качественном уходе и защите. Практически все женщины по всему миру тратят определенной время у зеркала с той целью, чтобы привести свою прическу в порядок.
Выше были рассмотрены примеры того, как ионизация благоприятно воздействует на человеческий организм, укрепляя его иммунитет. Теперь же очередь дошла и до ионизации волос. Некоторые производители средств по наведению красоты уже поняли, что к чему и теперь рынок заполнился многочисленными фенами с ионизацией. Что же дает эта новая функция?
Как теперь можно понять существуют не только положительные, но и отрицательные частицы, причем первые плохо сказываются на человеческом организме. Особенно это хорошо заметно на волосах. В качестве примера: накопление положительных ионов приводит к их электризации, сильному распушиванию, и они становятся непослушными.
Отрицательные частицы оказывают благоприятное воздействие: волосы становятся послушными, лучшим образом увлажняются за счет равномерного распределения влаги. Также они приобретают блеск и гладкость. Иными словами, такой процесс, а точнее степень ионизации, это большой плюс для любого человека.
Ионизация атомов
Каждый атом состоит из положительно заряженного ядра, в котором сосредоточена почти вся масса атома, и электронов, вращающихся по орбитам вокруг ядра и в совокупности образующих так называемую электронную оболочку атома. Внешний слой оболочки содержит электроны, сравнительно слабо связанные с ядром. При бомбардировке атома частицей, например протоном, один из внешних электронов может быть оторван от атома, и атом превращается в положительно заряженный ион (рис. 6, а). Именно этот процесс и называется ионизацией.
В кристалле полупроводника, где атомы занимают строго определенные положения, в результате ионизации образуются свободные электроны и положительно заряженные ионы (дырки).
Таким образом, возникают избыточные электронно-дырочные пары, которых ранее в кристалле не было. Концентрацию таких неравновесных пар можно даже подсчитать по формуле:
где е - заряд электрона; ц - мощность дозы (плотность потока) радиации; с - коэффициент преобразования, зависящий от вида радиации и ее энергетического спектра; ф - время жизни неосновных носителей заряда.
Значительное увеличение концентрации носителей заряда нарушает функционирование полупроводниковых приборов, особенно работающих на не основных носителях.
Ионизационные токи через p-n-переход при ядерном взрыве могут достигать большой величины (10 6 А/см 2) и приводить к выходу из строя полупроводниковые приборы. Для снижения токов ионизации необходимо по возможности уменьшить габариты p-n-переходов.
Рис.а - ионизация атома; б - кристаллическая решетка до облучения; в- образование радиационного дефекта в кристалле; 1 - нормальное положение атома; 2 - атом смещен в междоузлие; 3 - образовавшаяся вакансия; 4 - бомбардирующая частица
Образование радиационных дефектов
При воздействии на полупроводники ядерных излучений (нейтронов, протонов, гамма-квантов и др.) кроме ионизации, на которую расходуется примерно 99% энергии излучения, происходит образование радиационных дефектов. Радиационный дефект может возникнуть в том случае, если энергия бомбардирующей частицы достаточна для смещения атома из узла кристаллической решетки в междоузлие. Например, атом кремния смещается, если он получает от бомбардирующей частицы энергию примерно 15 - 20 эВ. Эта энергия обычно называется пороговой энергией смещения. На рис. 6, в представлена простейшая схема образования первичных радиационных дефектов в полупроводнике. Налетающая частица 4, взаимодействуя с атомом решетки, смещает его в междоузлие 2. В результате образуется вакансия 3. Вакансия и междоузельный атом - простейшие радиационные дефекты, или, как их еще называют, пары Френкеля. Смещенный атом 2 , если ему передана энергия выше пороговой, может в свою очередь вызывать вторичные смещения. Образовывать новые смещения может также и бомбардирующая частица. Процесс этот будет продолжаться до тех пор, пока частица и смещенный атом не растратят всю свою энергию на ионизацию и смещения или не покинут объем кристалла. Таким образом, при бомбардировке ядерной частицей в кристалле может возникнуть целый каскад атомных смещений, нарушающих его строение.
Энергия, передаваемая атому решетки нейтроном или тяжелой заряженной частицей (ионом, протоном), в случае лобового столкновения рассчитывается на основе закона соударения твердых шаров по формуле:
Закон сохранения энергии
Закон сохранения импульса
Откуда (13)
где m - масса нейтрона; М - масса ядра атома полупроводника; Е m - энергия нейтрона. Из выражения видно, что чем меньше масса ядра атома, с которым сталкивается нейтрон, тем больше энергия, передаваемая этому атому.
При определении кинетической энергии атомов отдачи, возникающих под действием легких заряженных частиц (электронов, позитронов), учитывают электрический потенциал кристаллической решетки и изменение массы частицы в зависимости от се скорости. Для случая облучения быстрыми электронами выражение имеет вид:
где E max - наибольшая кинетическая энергия смещенного атома; Е э - кинетическая энергия электрона; m - масса покоя электрона; с - скорость света; М - масса ядра атома полупроводника.
При облучении полупроводников гамма-квантами вероятность образования смещений в результате непосредственного взаимодействия гамма-квантов с ядрами атомов очень мала. Смещения в данном случае будут возникать за счет электронов, образующихся в полупроводнике под действием гамма-квантов. Следовательно, появление смещений в полупроводнике при облучении гамма-квантами следует рассматривать как вторичный процесс, т.е. вначале образуются быстрые электроны, а затем под их воздействием происходят смещения атомов.
Кроме того, при облучении частицами высоких энергий (нейтроны, протоны, электроны) в кристаллах полупроводников могут образовываться также целые области радиационных нарушений - разупорядоченные области. Происходит это потому, что бомбардирующая частица, обладающая большой кинетической энергией, значительную ее часть передает смещаемому атому, который и производит сильные нарушения. В дальнейшем бомбардирующая частица может вообще оставить кристалл, вылететь из него. Смещенный же атом, обладая большими геометрическими размерами по сравнению с бомбардирующей частицей и, кроме того, являясь электрически заряженным (ион), так как при смещении от него отрывается часть валентных электронов, так свободно, как например нейтрон, вылететь из кристалла не сможет. Этому мешают малые расстояния между атомами в кристалле и электрическое поле. Всю свою огромную кинетическую энергию смещенный атом вынужден тратить в маленьком объеме на расталкивание атомов кристаллической решетки. Так образуется область радиационного нарушения, по форме близкая к сфере или эллипсоиду.
Как установлено, для образования области разупорядочения в кремнии энергия атома отдачи (смещения) должна быть более 5 КэВ. Размеры области будут возрастать с увеличением его энергии. По результатам электронно-микроскопических исследований, размеры областей разупорядочения лежат в пределах 50 - 500?. Установлено, что концентрация носителей заряда в области разупорядочения во много раз меньше, чем в ненарушенной области полупроводника. В результате на границе разупорядоченной области и основной матрицы полупроводника возникает контактная разность потенциалов, и разупорядоченная область окружена электрическим потенциальным барьером, препятствующим переносу носителей заряда.
Смещенные атомы и области разупорядочения относятся к первичным радиационным повреждениям полупроводника. Число их будет возрастать с увеличением потока бомбардирующих частиц. При очень больших потоках (больше 10 23 част/см 2) полупроводник может потерять кристаллическую структуру, его решетка полностью разрушится и он превратится в аморфное тело.
Число первично смещенных атомов в единице объема полупроводника можно оценить приближенно по формуле
где Ф - поток частиц (суммарный); N - число атомов в 1 см 3 полупроводника; у d -поперечное сечение столкновений, вызывающих смещения атомов.
Поперечное сечение столкновений есть некая эффективная площадь, измеряемая в квадратных сантиметрах, характеризующая вероятность столкновения частицы, например нейтрона, с ядром атома вещества. Ядро имеет очень малые размеры по сравнению с атомом. Поэтому вероятность попадания в него очень мала. Сечение столкновений для нейтронов с энергией 1-10 МэВ обычно равно 10 -24 см 2 . Но поскольку в 1 см 3 вещества содержится приблизительно 10 23 атомов, то столкновения происходят довольно часто. Так, на 10 «выстрелов» в 1 см 3 полупроводника приходится примерно одно столкновение (попадание). В соответствии с приведенной формулой при потоке 10 12 нейтр/см 2 в 1 см 3 полупроводника происходит около 10 11 смещений атомов, которые в свою очередь могут вызвать вторичные смещения.
Надо заметить, что первичные радиационные дефекты (междоузельный атом и вакансия) не стабильны. Они вступают во взаимодействие друг с другом или с имеющимися в кристалле примесями и другими несовершенствами. Так образуются более сложные радиационные дефекты, например, для кремния n -типа проводимости, легированного фосфором, наиболее характерны такие радиационные дефекты, как вакансия + атом фосфора (Е-центр), вакансия + атом кислорода (Л-центр), дивакансия (соединение двух вакансий). В настоящее время определено большое количество разнообразных типов радиационных дефектов, которые характеризуются различной термической устойчивостью и способностью влиять на электрические и механические свойства материала. Радиационные дефекты в зависимости от их структуры обусловливают появление в запрещенной зоне полупроводника целого спектра энергетических уровней. Эти уровни являются основной причиной изменения свойств полупроводников при облучении.
