Astronet > Ionizaciya

po tekstam po klyuchevym slovam v glossarii po saitam perevod po katalogu

Ionizaciya

- otryv ot atomov, molekul, atomnyh ili molekulyarnyh ionov elektrona (elektronov) ili zamenyayushih ego chastic, napr. v mezoatomah i mezomolekulah - mezonov.

Obychno ionizuemye sistemy nahodyatsya v sostoyaniyah s otricat. polnoi energiei, V etom sluchae na otryv chasticy trebuetsya zatratit' energiyu. Kak pravilo, I. proishodit libo vsledstvie poglosheniya fotona (fotoionizaciya), libo pod deistviem udarov chastic. Krome togo, atom mozhet byt' ionizovan v rezul'tate togo, chto central'naya chast' ego rezko menyaet svoyu skorost', tak chto vneshnie, slabo svyazannye s atomnym ostatkom elektrony "ne uspevayut" za etim dvizheniem i "stryahivayutsya" (effekt stryahivaniya). Takoi process vozmozhen, napr., esli yadro atoma ispytalo radioaktivnyi raspad ili vzaimodeistvovalo s energichnoi chasticei, peredavshei yadru znachit. impul's.

Inogda ionizuemye sistemy mogut nahodit'sya v neustoichivom sostoyanii s polozhit. polnoi energiei (avtoionizacionnye sostoyaniya). V etom sluchae vozmozhna samoproizvol'naya ionizaciya - avtoionizaciya - vybros odnogo ili nesk. elektronov.

V mnogoelektronnyh sistemah pri I. mozhet byt' otorvan lyuboi elektron. Obychno do ionizacii libo vse elektrony nahodyatsya v sostoyaniyah s naimen'shimi vozmozhnymi energiyami (osnovnoe sostoyanie sistemy), libo odin iz elektronov nahoditsya na bolee vysokom urovne energii (odnoelektronnoe vozbuzhdennoe sostoyanie ili prosto vozbuzhdennoe sostoyanie). Minim. energiya, neobhodimaya v etom sluchae dlya I., naz. energiei svyazi urovnya. Dlya atoma vodoroda energiya svyazi urovnya n ravna: $\chi_n=13,6/n^2$ eV. Energiya svyazi osn. urovnya naz. potencialom I. Potencialy I. atomov koleblyutsya ot 3,89 eV dlya ceziya do 24,59 eV dlya geliya. Dlya ionov oni bol'she, chem dlya atomov. Potencialy I. molekul, kak pravilo, ne prevyshayut potencialov I. sostavlyayushih ih atomov.

Esli ot ionizuemoi sistemy otryvaetsya ne samyi vneshnii elektron, a vnutrennii, obladayushii bol'shei energiei svyazi, to na I. zatrachivaetsya bol'she energii. Samuyu bol'shuyu energiyu prihoditsya zatratit' na otryv elektrona s samogo vnutrennego, blizhaishego k yadru elektronnogo sloya. nazyvaemogo K-sloem. Napr., dlya neitral'nogo kisloroda (OI) potencial I. K-sloya $\chi_n$ = 553 eV, a dlya zheleza (FeI) $\chi_n$ = 6,4 keV.

Posle I. atoma ili iona s odnogo iz vnutr. sloev (K- ili dlya slozhnyh atomov L-, H-sloev) ion okazyvaetsya v avtoionizac. sostoyanii. Obrazovavshayasya vakansiya mozhet zapolnit'sya libo pri ispuskanii fotona, nazyvaemogo harakteristicheskim i popadayushego obychno v rentg. oblast' spektra, libo bezyzluchatel'nym sposobom, kogda izbytok energii peredaetsya odnomu ili neskol'kim elektronam i oni vybrasyvayutsya iz iona (avtoionizaciya).

Process bezyzluchatel'nogo zapolneniya vakansii vo vnutr. elektronnyh sloyah atomov i ionov naz. effektom Ozhe. V rezul'tate effekta Ozhe i za schet effekta stryahivaniya vnesh. elektronov iz atoma chasto vybrasyvaetsya ne odin, a mnogo elektronov. Harakteristich. fotony ispuskayutsya s bol'shei veroyatnost'yu posle I. vnutr. sloev elementov vtoroi poloviny periodich. sistemy Mendeleeva, a effekt Ozhe preobladaet dlya bolee legkih elementov.

Avtoionizac. sostoyaniya i avtoionizaciya voznikayut takzhe v sluchae, esli na dostatochno vysokih urovnyah energii atoma (iona) odnovremenno nahoditsya bolee odnogo elektrona, vozbuzhdennogo iz vnesh. sloya (valentnye elektrony atoma ili iona). V kosmich. usloviyah takogo tipa dvazhdy vozbuzhdennye avtoionizac. sostoyaniya voznikayut gl. obr. v processe dielektronnoi rekombinacii, a v laboratornoi plazme - pri obluchenii sredy moshnymi lazernymi puchkami sveta.

Ris. 1. a - zavisimost' ot energii elektronov
$\varepsilon$ secheniya ionizacii atomov vodoroda
s osnovnogo urovnya udarami elektronov,
$\chi$ =13,6 eV -
potencial ionizacii vodoroda.
Sechenie vyrazheno v velichinah ploshadi
pervoi borovskoi orbity
$\pi a_0^2=0,88\cdot 10^{-16} \mbox{sm}^2$ ( $$a_0=0,529 $\AA$ );
b - zavisimost' secheniya fotoionizacii
$\sigma$ atomov kremniya, nahodyashegosya v
osnovnom sostoyanii, ot dliny volny fotona $\lambda$ .
Ukazany porog ionizacii nevozbuzhdennogo
atoma $\chi$ i porogi ionizacii
vnutrennih L- i K-sloev ( $\chi_L$ i $\chi_K$ ).

Effektivnost' I. chasticei s energiei $\varepsilon= mv^2/2$ ili fotonom s $\varepsilon=h\nu$ , kak i effektivnost' dr. elementarnyh processov, harakterizuetsya effektivnym poperechnym secheniem $\sigma(\varepsilon)$ etogo processa, imeyushim razmernost' ploshadi. Znachenie $\sigma$ ravno nulyu pri $\varepsilon < \chi$ i $\varepsilon >0$ pri $\varepsilon>\chi$ dlya sootvetstvuyushego elektrona. V sluchae I. chasticami (elektronami, atomami, ionami) $\sigma$ maksimal'no dlya otryva vnesh. valentnyh elektronov i malo dlya vnutr. elektronov. Prichem sechenie I. naibol'shee (I. proishodit naibolee effektivno) obychno pri skorostyah ionizuyushei chasticy, blizkih k orbital'noi skorosti ionizuemogo elektrona v modeli atoma Bora. Eto privodit k tomu, chto I. elektronami effektivna pri energiyah 1,5-10 $\xi$ (ris. 1,a), a tyazhelymi chasticami - pri mnogo bol'shih energiyah. V rezul'tate I. chasticei ot ionizuemoi sistemy mozhet byt' otorvano bolee odnogo elektrona (dazhe bez effekta Ozhe) - mnogoelektronnaya I., no veroyatnost' etogo mala (obychno men'she 1% ot veroyatnosti odnoelektronnoi I.).

Chastota parnyh stolknovenii chastic dvuh sortov, t.e. chislo stolknovenii v 1 sm³ v 1 s, proporcional'na koncentracii (kolichestvu v 1 sm³) chastic kazhdogo sorta, ih otnositel'noi skorosti i razmeram stalkivayushihsya chastic. Chastota parnyh stolknovenii, privodyashih k I., proporcional'na ne razmeram chastic, a secheniyu I. $\sigma$ . Esli oba sorta stalkivayushihsya chastic prinimayut uchastie v teplovyh dvizheniyah (napr., stolknoveniya elektronov s atomami ili ionami sredy, no ne stolknoveniya chastic kosmicheskih luchei s chasticami sredy), to raspredelenie skorostei ih dvizheniya v, kak pravilo, opisyvaetsya Maksvella raspredeleniem. Togda skorost' I. atomov, molekul ili ionov s koncentraciei N_i, elektronami s koncentraciei N_e ravna
N_iN_eq_i(T), (1)
gde koefficient I. q_i (sm³/s) yavl. usrednennym po maksvellovskomu raspredeleniyu skorostei proizvedeniem $\sigma(\varepsilon)\cdot v$ . Dlya samogo rasprostranennogo vo Vselennoi elementa - vodoroda pri I. s osn. urovnya elektronami
$q_i\approx {1,7\cdot10^{-8}\over {\beta+0,39}}\;\sqrt{\beta\over {\beta+1}}\;e^{-\beta}\;\ln\left( 16+{1\over {\beta}}\right)$ , (2)
$\beta={\chi\over {kT}}\approx {158000\over {T}}$ , (3)
gde $\chi$ - potencial I. vodoroda, T - temp-ra v Kel'vinah. Chislennye znacheniya q_i privedeny v tablice.

V sluchae I. fotonami $\sigma(\varepsilon)$ chasto imeet naibol'shee znachenie u poroga I. $\varepsilon=h\nu=\chi$ i dalee padaet s rostom $\varepsilon$ . Odnako fotony effektivno ionizuyut atomy i iony ne tol'ko s vnesh., no i s vnutr. sloev (esli, konechno, dostatochna energiya fotona). V rezul'tate etogo polnaya effektivnost' I. vozrastaet skachkami (ris. 1,6) pri uvelichenii $\varepsilon$ do potencialov I. vnutr. elektronov, t.e. do $\chi_L, \chi_K$ i t.d.

Zavisimost' ot temperatury T koefficienta ionizacii q_i (sm³/s) atomov vodoroda s osnovnogo urovnya energii (udarami elektronov).

lg T T, K q_i

4,0 10000 $4\cdot 10^{-16}$

4,1 12600 $1,3\cdot 10^{-14}$

4,2 15800 $2\cdot 10^{-13}$

4,3 20000 $2\cdot 10^{-12}$

4,5 31600 $5\cdot 10^{-11}$

lg T T, K q_i

4,7 $5\cdot 10^4$ $5\cdot 10^{-10}$

5,0 10⁵ $4\cdot 10^{-9}$

6,0 10⁶ $3\cdot 10^{-8}$

7,0 10⁷ $2\cdot 10^{-8}$

8,0 10⁸ $1\cdot 10^{-8}$

Poskol'ku him. sostav kosmich. veshestva vezde, za isklyucheniem nek-ryh zvezd, pochti odinakov, mozhno naiti effektivnoe sechenie $\sigma_{eff}$ poglosheniya UF- i rentg. izlucheniya v neionizovannoi kosmich. srede so srednim him. sostavom v raschete na odin atom vodoroda (ris. 2):
$\sigma_{eff}=\sum\limits_Z A_Z\sigma_Z(\varepsilon)$ , (4)
gde Z - nomer elementa v periodich. sisteme elementov Mendeleeva, $\sigma_Z(\varepsilon)$ - sechenie fotoionizacii atoma etogo elementa s osn. urovnya fotonami s energiei $\varepsilon, A_Z$ - obilie elementa Z (otnoshenie ego koncentracii k koncentracii atomov vodoroda). $A_1\equiv 1, A_2\approx 0,1$ i t.d. Nesmotrya na maloe obilie elementov tyazhelee geliya (dlya kazhdogo iz nih A_Z < 0,001), oni, kak vidno iz ris. 2, dayut znachit. vklad v pogloshenie rentg. luchei. Svyazano eto s ochen' vysokoi effektivnost'yu fotoionizacii K-sloev atomov. Poetomu $\sigma_{eff}$ ispytyvaet zametnye skachki pri znacheniyah $\varepsilon_K$ dlya ryada elementov, ukazannyh na ris. 2. Znanie $\sigma_{eff}$ pozvolyaet opredelit', kakoe rasstoyanie sposobny proiti v srede fotony s raznymi dlinami voln do momenta ih poglosheniya. Napr., okazyvaetsya, chto fotony s dlinami voln ot nesk. desyatkov $\AA$ do 912 $\AA$ stol' intensivno ionizuyut mezhzvezdnyi gaz, chto ne mogut proiti dazhe poperek galaktich. gazovogo diska.

Ris. 2. Effektivnoe poperechnoe sechenie
fotoionizacii neitral'nogo mezhzvezdnogo
gaza usrednennogo galakticheskogo sostava,
$\lambda$ - dlina volny ioniziruyushego
izlucheniya. R - rasstoyanie, sootvetstvuyushee
opticheskoi tolshe $\tau$ = 1.
Shtrihovoi liniei otmecheno znachenie
tomsonovskogo secheniya.

Iz skazannogo vyshe sleduet, chto atomy, a inogda i molekuly, imeyushie mnogo elektronov, v rezul'tate odnogo akta I. ili pri posledovatel'nyh aktah I. mogut okazat'sya v raznyh sostoyaniyah I., harakterizuemyh zaryadom iona v edinicah zaryada protona. Sostoyanie I. ukazyvaetsya libo velichinoi i znakom zaryada, napr. O⁺, O³⁺, O^2-, Fe⁺²⁴, H $^+_3$ , N₂O^-, libo, v sluchae polozhitel'no zaryazhennyh ionov, v vide spektroskopich. simvola, napr. dlya ukazannyh vyshe ionov kisloroda i zheleza - OII, OIV, FeXXV. Zdes' rimskoi cifroi ukazyvaetsya chislo, na edinicu bol'shee zaryada iona. Cifra I sootvetstvuet neitral'nomu atomu.

Atomy mogut byt' ionizovany do golyh yader. Molekuly ne byvayut sil'no zaryazhennymi, t.k. v etom sluchae oni stanovyatsya neustoichivymi i raspadayutsya (dissociiruyut). Maksimal'no vozmozhnyi otricat. zaryad iona opredelyaetsya srodstvom k elektronu i ni v kakih sluchayah ne prevyshaet treh elektronnyh zaryadov.

V usloviyah, blizkih k termodinamicheskomu ravnovesiyu, napr. vnutri zvezd i v fotosferah normal'nyh zvezd, stepen' I. atomov opredelyaetsya Saha formuloi, soglasno k-roi stepen' I. lyubogo atoma rastet s uvelicheniem temp-ry i padaet s rostom plotnosti gaza (tochnee, s rostom koncentracii elektronov).

V kosmich. usloviyah neredki sluchai, kogda stepen' I. gaza opredelyaetsya I. elektronami i radiacionnoi plyus dielektronnoi rekombinaciyami. Takaya situaciya voznikaet v dostatochno razrezhennoi goryachei srede vne moshnyh polei zhestkogo el.-magn. izlucheniya (UF- i rentg. luchei) i pri otsutstvii sil'nyh potokov kosmich. luchei. Takie usloviya harakterny, napr., dlya solnechnoi hromosfery i solnechnoi korony i voobshe verhnih atmosfer zvezd mnogih tipov, a takzhe dlya obolochek sverhnovyh zvezd, mezhgalaktich. gaza v skopleniyah galaktik (sm. Ionizacionnoe ravnovesie). V etih usloviyah stepen' I. sredy zavisit tol'ko ot ee temp-ry T (uvelichivayas' s rostom T), no ne zavisit ot plotnosti sredy.

V kosmich. usloviyah naibol'shaya stepen' I. vstrechaetsya v nedrah zvezd, v ostatkah sverhnovyh zvezd, v goryachih oblastyah mezhzvezdnogo gaza s T ~ 1 mln. K, v mezhgalaktich. gaze skoplenii galaktik, gde T ~ 100 mln. K, a takzhe v gazovyh obolochkah ryada rentg. istochnikov i na vnutr. krayah akkrecionnyh gazovyh diskov vokrug neitronnyh zvezd i chernyh dyr.

Lit.:
Martynov D.Ya., Kurs obshei astrofiziki, 3 izd., M., 1979; Kaplan S.A., Pikel'ner S.B., fizika mezhzvezdnoi sredy, M., 1979; Sobolev V. V., Kurs teoreticheskoi astrofiziki, 2 izd., M., 1975.

(N.G. Bochkarev)

N. G. Bochkarev, "Fizika Kosmosa", 1986
Glossarii Astronet.ru

L | R | A | B | V | G | D | E | Zh | Z | I | ' | K | L | M | N | O | P | R | S | T | U | F | H | C | Ch | Sh | Sh | E | Yu | Ya

Publikacii s klyuchevymi slovami: ionizaciya Publikacii so slovami: ionizaciya
Sm. takzhe: Tumannosti IC 59 i IC 63 v Kassiopee Ionizacionnoe ravnovesie Rozhdenie galaktik: glubokii poisk na kosmicheskom teleskope im.Habbla "Zheleznoe" Solnce Vliyanie skorosti ionizacii na soderzhanie molekul NH3, N2H+ i H2O v yadrah temnyh oblakov NGC 604: gigantskii zvezdnyi inkubator v M33 Sharpless 212: izluchenie vodoroda i sery Vse publikacii na tu zhe temu >>

Obsudit' etu publikaciyu

Versiya dlya pechati