ионизация

ИОНИЗАЦИЯ - превращение электрически нейтральных атомных частиц (атомов, молекул) в результате превращения из них одного или неск. электронов в поло ионы и свободные электроны. Ионизовываться могут также и ионы, что приводит к повышению крат их заряда. (Нейтральные атомы и молекулы мо особых случаях и присоединять электроны, об отрицательные ионы.)Термином "И." обозна как элементарный акт (И. атома, молекулы), и совокупность множества таких актов (И. газа, кости). Осн. механизмами И. являются следующие: столкновительная И. (соударения с электронами, ионами, атомами); И. светом (фотоионизация); ионизация полем; И. при взаимодействии с поверхностыо твёрдого тела (поверхностная ионизация); ниже рассматриваются первые два типа И. Столкновнтельная ионизация является важнейшим механизмом И. в газах и плазме. Элементарный акт И. характеризуется эфф. сечением ионизации s_i [см²], зависящим от сорта сталкивающихся частиц, их квантовых состояний и скорости относительного движения. При анализе кинетики И. используются понятия скорости И. <vs_i(v)>, характеризующей число ионизации, к-рое может произвести одна ионизующая частица в 1 с:

Здесь v - скорость относит, движения и F (v) - ф-ция распределения по скоростям ионизующих частиц. Вероятность ионизации w_i данного атома (молекулы) в единицу времени при плотности N числа ионизующих частиц связана со скоростью И. соотношением Определяющую роль в газах и плазме играет И. электронным ударом (столкновения со сводными

Рис. 1. Ионизация атомов и молекул водорода электронным ударом; 1 - атомы Н; 2 - молекулы Н₂ (экспериментальные кривые); 3 - атомы Н (теоретический расчёт, приближение Борна); 4 - расчёт

электронами). Доминирующим процессом является одноэлектронная И.- удаление из атома одного (обычно внеш.) электрона. Кинетич. энергия ионизующего электрона при этом должна быть больше или равна энергии связи электрона в атоме. Мин. значение кинетич. энергии ионизующего электрона наз. порогом (границей) ионизации. Сечение И. атомов, молекул и ионов электронным ударом равно нулю в пороге, возрастает (приблизительно по линейному закону) с ростом кинетич. энергии, достигает макс, значения при энергиях, равных нескольким (2-5) пороговым значениям, а затем убывает с дальнейшим ростом кинетич. энергии. Положение и величина макс, сечения зависят от рода атома. На рис. 1 приведены ионизац. кривые (зависимости сечения И. от энергии) для атома и молекулы водорода. В случае сложных (многоэлектронных) атомов и молекул возможно наличие неск. максимумов в зависимости сечения от энергии. Появление дополнит, максимумов сечения в области энергий столкновения между порогом ионизации и энергией, соответствующей осн. максимуму, связано обычно с интерференцией прямой И. с возбуждением одного из дискретных состояний (и последующей И. последнего) в одном и том же акте столкновения. На рис. 2 виден такой дополнит, максимум на нач. части ионизац. кривой для Zn. Дополнит. максимумы в области энергий, превышающих значение, соответствующее осн. максимуму сечения, объясняются возбуждением автоионизационных состояний либо И. внутр. оболочек атома. Последние процессы можно рассматривать независимо, поскольку их вклад в И. связан с др. электронными оболочками атома.

Рис. 2. Ионизация атомов Zn электронным ударом вблизи порога.

Наряду с одноэлсктронпои И. возможно удаление двух и более электронов в одном акте столкновения при условии, что кинетич. энергия больше или равна соответствующей энергии И. Сечение этих процессов в неск. раз (для двух- и трёхэлектронных) или на неск. порядков величины (для многоэлектронных процессов) меньше сечений одноэлектронной И. Поэтому в кинетике И. газов и плазмы осн. роль играют процессы одноэлектронной И. п одноэлектронного возбуждения автоионизац. состояний. Сечение И. атома или иона электронным ударом может быть представлено в виде:

где а₀=0,529.10^-8 см - Бора радиус; R=13,6 эВ -т. н. ридбергова единица энергии, равная энергии И. атома водорода из осн. состояния (см. Ридберга постоянная; )E_i - энергия И. рассматриваемого состояния атома или иона; n_l - число эквивалентных электронов в оболочке атома; l - значение орбитального момента нач. состояния электрона; величина u=(E-E_i)/E_i есть разность кинетич. энергии налетающего электрона E и порога ионизации E_i, выраженная в единицах E_i. Ф-ции Ф(u) вычислены и табулированы для большого количества атомов и ионов в [3]. При больших энергиях налетающего электрона EдE_i применяется возмущений теория первого порядка (т. н. борновское приближение ).В этом случае для И. атома водорода из осн. состояния ф-ция

В областях малых и средних энергии налетающего электрона (uхl) важнейшим эффектом, влияющим на величину s_i, является эффект обмена, связанный с тождественностью налетающего и выбитого из атома электронов [2]. Расчёт s_i одноэлектронной И. в рамках теории возмущений с учётом эффекта обмена приводит к удовлетворит, согласию с экспериментом для большинства атомов и ионов [244]. Усовершенствование (и усложнение) методов расчёта позволяет описать детальную структуру ионизац. кривых, а также распределение освободившихся электронов по энергии и углу рассеяния (т. и. дифференц. сечения). Указанная выше скорость И. (1) в предположении максвелловского распределения электронов по скоростям может быть представлена в виде

где b=E_i/kT, T - темп-pa ионизующих электронов. Ф-ции G(b) вычислены и табулированы в [3] для большого числа атомов и ионов. Как видно из формул (2) и (4), с повышением заряда иона Z ( ) сечение И. убывает пропорц. Z^-4, а скорость И. С повышением энергии налетающего электрона энергетически возможно выбивание одного из электронов

Рис. 3. Ионизации атома водорода протонами: 1 - экспериментальные данные; 2 - расчёт в приближении Борна; 3 - расчёт [7].

внутр. оболочек (К, L, . . .)многоэлектронных атомов (или ионов). Соответствующие течения и скорости И. описываются также ф-лами (2) и (4). Однако создание вакансии во внутр. оболочке приводит к образованию автоионизац. состояния атома, к-рое неустойчиво и распадается с удалением из атома одного или неск. электронов и излучением фотонов (оже-эффект ).Но сечения этого процесса много меньше сечения И. внеш. оболочки, поэтому в плазме доминирующим механизмом образования многозарядных ионов является последовательная И. внеш. оболочек.

В плотных газах и при высокоинтенсивных потоках бомбардирующих частиц, обладающих кинетич. энергией <E_i, возможна т. н. ступенчатая И. В первом соударении атомы переводятся в возбужденное состояние, а во втором соударении ионизуются (двухступенчатая И.). Ступенчатая И. возможна только в случаях столь частых соударений, что частица в промежутке между Рис. 4. Экспериментальные данные по ионизации атомов водорода многозарядными ионами углерода, азота и кислорода [9]. двумя соударениями не успевает потерять (излучить) энергию, напр, если атомы ионизуемого вещества обладают метастабильными состояниями. Ионизация молекул электронным ударом отличается от И. атомов большим числом разл. процессов. Если молекулярная система, остающаяся после удаления электрона, оказывается устойчивой, образуется молекулярный ион; в противном случае система диссоциирует с образованием атомных ионов. Число возможных процессов И. с диссоциацией молекул возрастает с увеличением числа атомов в молекуле и в случае многоатомных молекул приводит к образованию большого числа осколочных ионов. Наиб, детально экспериментально и теоретически изучена И. двухатомных молекул. Из рис. 1 видно, что при больших энергиях электрона (в области борцовского приближения) ионизац. кривые для молекулы Н₂ (2) и для атома Н (1) отличаются примерно в два раза, что соответствует различию в числе электронов. Ионизация атомов в столкновениях с ионами и др. атомами эффективна при кинетич. энергии сталкивающихся частиц ~100 эВ и выше. При меньших энергиях сечения крайне малы и в области порога И. (E=E_i) экспериментально не наблюдались. Сечения И. атомов протонами (рис. 3) и др. ионами (рис. 4) качественно подобны сечениям И. электронным ударом в масштабе скоростей относит, движения сталкивающихся частиц. И. максимально эффективна, когда скорость относит, движения порядка скорости орбитальных электронов, т. е. при энергиях ионизующих ионов в десятки кэВ (для И. из осн. состояния атомов). Эксперимент и расчёт показывают, что макс, значение сечения И. атома ионами растёт с ростом заряда иона пропорц. величине заряда. При меньших скоростях механизм И. усложнён образованием квазимолекулы в процессе столкновения, т. е. перераспределением . электронов между ядрами сталкивающихся атомных частиц. Это может приводить к появлению дополнительных максимумов в области малых скоростей.

Рис. 5. Ионизация молекулярного водорода атомами водорода (кривая 1)и протонами (кривая 2).

И. атомов и молекул в столкновениях с нейтральными атомами объясняется теми же механизмами, что и в столкновениях с ионами, однако, как правило, количественно менее эффективна. На рис. 5 приведены для сравнения ионизац. кривые для ионизации молекулярного водорода атомами водорода и протонами. При взаимодействии атомных частиц электроны могут удаляться не только из частиц-мишеней, но и из бомбардирующих частиц (явление "обдирки" быстрых ионов или атомов при прохождении через газ или плазму). Налетающие положит, ионы могут также захватывать электроны от ионизуемых частиц - т. и. перезарядка ионов. "Квазимолекулярный" характер процессов столкновений атомных частиц при малых скоростях может приводить к более эффективному, чем в электронных столкновениях (при тех же скоростях), образованию ионов с зарядом больше единицы. Сечения ионизац. столкновит. процессов экспериментально исследуются в скрещенных пучках с использованием техники совпадений. Такой метод является наиб, точным и даёт детальную картину величин дифференц. и полных сечений и их зависимостей от физ. параметров. Скорости И. могут быть с хорошей точностью получены спектроскопич. методом при исследовании излучения хорошо диагностированной плазмы (см. Диагностика плазмы). При этом необходимо иметь надёжные данные о темп-ре (ф-ции распределения) частиц и их плотности. Этот метод успешно применяется для исследования И. многозарядных (Zа10) ионов электронным ударом. Ионизация светом (фотоионизация) - процесс И. атомных частиц в результате поглощения фотонов. В слабых световых полях происходит однофотонная И. В световых полях высокой интенсивности возможна многофотонная ионизация .Напр., частота лазерного излучения обычно недостаточна для того, чтобы поглощение одного фотона вызвало И. Однако чрезвычайно высокая плотность потока фотонов в лазерном пучке делает возможной многофотонную И. Экспериментально в разреженных парах щелочных металлов наблюдалась И. с поглощением 7-9 фотонов. В отличие от И. в столкновениях, сечение И. фотоном не равно нулю в пороге И., а обычно максимально и падает с ростом энергии фотона. Однако возможны максимумы в ионизационной кривой и вне порога И. в зависимости от строения атомов. На рис. 6 приведена зависимость сечения фотоионизации для атомов Na и Li. Для атома водорода и водородоподобных ионов существует точная теория процессов фотоионизации. Эфф. сечение фотоионизации из осн. состояния равно

где a=¹/₁₃₇ - тонкой структуры постоянная ,w_г - граничная чистота фотоионизации, w - частота фотона и . Для атома водорода w_г=109678,758 см^-1 (l@1216 Е). (В спектроскопии частота часто даётся в "обратных" см, т. е. ~1/l.) Вблизи границы фотоионизации (w-w_гЪw_г)

вдали от границы (w-w_гдw_г)

Сечение фотоионизации из возбуждённых состояний убывает с ростом гл. квантового числа n пропорц. n^-5 (для n/З). Сечение фотоионизации s_ф связано с коэф.

Рис. 6. Фотоионизация атомов щелочных металлов: лития (1 - эксперимент; 2 - расчёт) и натрия (3 - эксперимент; 4 - расчёт).