Ионизация

Ионизация, процесс распада электрически нейтральной молекулы на (+) и ( —) заряженные части, называемые и онами. Нормальными ионами являются: 1) отрицательно заряженные электроны, 2) атомы, несущие на себе свободные (+) или ( —) заряды, 3) атомные группы, или молекулярные остатеи с соответственными зарядами. Облекаясь сольватными оболочками в растворах или осаждаясь на пылинках в газах, нормальные ионы обращаются в так называется медленные’ ион ы (или ионы Ланже-вена); масса таких ионов может в тысячи раз превосходить нормальную массу. Заряд иона всегда является кратным от элементарного электрического зарядα= 4,774 х 10^-1|>электростатических единиц (смотрите Электрон); поэтому говорят об однократно-, двукратно-, трехкратно- и т. д. ионизованных атомах. Причины, вызывающие И., могут быть разделены на три группы: 1) поглощение света, 2) удары электронов, атомов или молекул (ударная И.) и 3) химич. причины.

Если энергия поглощенного кванта (смотрите Кванты) света hv достаточна для переноса поглощающего электрона в предельное возможное для атома стационарное состояние (предельную орбиту), то происходит вылет электрона за пределы атома, то есть фото-электрич. эффект; иными словами, происходит И. Если частота поглощенного света недостаточно велика, то электрон в атоме только переходит в другое стационарное состояние (возбуждение атома). Таким образом, И. при поглощении света возможна только начиная с определенной предельной частоты v₀ или длины волны Я₀; эффективным ионизатором в газах является только радиация с достаточно большой частотой (ультрафиолетовые, рентгеновские, у-лучи). При поглощении света молекулами может произойти не только вылет электрона, но и распад молекулы на атомы или молекулярные ионы. Экспериментально это впервые было доказано А. Н. Терениным в случае освещения паров галоидных солей ультрафиолетовым светом.

Ударная И., или И. толчком, подчиняется по существу тому иге закону, как и И. светом: она осуществима только начиная

mvi

с определенного предельного значения ——° кинетической энергии ударяющего ионизатора (т—масса, v₀—предельная скорость). До тех пор пока это значение не достигнуто, ударяющий электрон, ион, атом или молекула могут только «возбуждать» ударяемую молекулу или упруго отражаться от нее. Предельная частота v₀ при ионизации светом и предельная скорость v₀ при ударной ионизации связаны соотношением:

где h—постоянная Планка.

Ударная И. имеет основное значение при электрическом разряде в газах (а также и в твердых телах—см. Диэлектрики). При ускоряющемся в электрич. поле движении элек-

троны (или вообще ионы) приобретают наконец (при достаточном напряжении) скорость, нужную для И., и при ударе расщепляют встречные молекулы на ионы; последние в свою очередь, разгоняясь в электрич. поле, становятся ионизаторами, и т. д. Для достижения ударной И. нужен нек-рый минимальный потенциал F₀, называемый ионизационным потенциалом и связанный с «, и V, соотношением:

где е—заряд иона. Механизм диссоциации молекул на ионы в растворах (смотрите Диссоциация электролитическая), так же как И. при различных химии, процессах, теоретически еще недостаточно выяснен.

Ионы, которые возникают в газе под влиянием какого-либо ионизатора, в случае прекращения его действия быстро исчезают, что объясняется соединением положительных и отрицательных частей молекул, разрушенных действием ионизатора. Это явление называется воссоединен и е.м, или рекомбинацией, а также м о-лизацией ионов.

С формальной стороны ионы можно рассматривать как некоторую примесь к газу, отличную от него по ее свойствам; поэтому по отношению к ионам вводится понятие о концентрации (п), или числе ионов в 1 сантиметров Точно так же вводится понятие о диффузии ионов, определяемой по аналогии с диффузией газов. Поток диффузии ионов, то есть количество ионов, проходящих в единицу времени через 1 см² поверхности в направлении ж, нормальном к ней, определяется ур-ием:

Q=Bf_x,

где п—концентрация ионов и В—коэфф-т диффузии газов.

Находясь в электрическом поле, ионы движутся в направлении силовых линий соответственно своему знаку. Скорость, к-рую развивают ионы при движении в поле с напряжением, равным единице, называется подвижностью (и) ионов. Измерения подвижностей и коэффициентов диффузии ионов дают возможность сделать выводы о свойствах и природе ионов. Подвижность отрицательных нормальных ионов несколько больше подвижности положительных. Так, для ионов, образующихся в воздухе, как среднее можно принять и — 1,35 см/ск : Y/cm,

и=1,83 см/ск : Y/cm.

Чрезвычайно малая подвижность ионов и, соответственно этому, малый коэффициент диффузии заставляют предполагать, что вокруг иона образуется группа молекул, которые удерживаются его зарядом и движутся вместе с ионами,—это т.н.кучевая теория образования ионов. Другие авторы объясняют те же факты увеличением внутреннего трения, которое испытывает ион в газе вследствие электростатич. действия его заряда на молекулы газа. При очень больших напряженностях полей (ок. 10 000 Y/cm) подвюкность ионов сильно возрастает.

Что касается рекомбинации ионов, то число ионов, воссоединяющихся в единицу времени, зависит от числа столкновений ионов того или другого знака, то есть пропорционально произведению концентраций ионов обоих знаков. Допуская, что концентрация положительных и отрицательных знаков одинакова (и), имеем:

где а—положительная величина, называемая коэфф-том рекомбинации, или воссоединения. Из этого ур-ия путем интегрирования находим:

п =

1 + п₀ О. t

где п₀—значение концентрации в началь-ный момент времени (ί=0). Из этой ф-лы видно, что в газе после прекращения действия ионизатора убывание числа ионов идет по гиперболическому закону. Определение числового значения а в среднем приводит к числу а=1,5х 10~⁶ электростатич. единиц. Коэффициент а зависит от примесей в газе; он уменьшается при уменьшении давления газа и при повышении темп-ры.

Лит.: Эйхенвальд А. А., Электричество, 5 изд., М.—Л., 1928; Семенов Н. Н., Электронные явления, Л., 1928; Т Ь о m s о η I. I., Conduction of Electricity through Gases, Cambridge, 1928; Townsend J.S., The Theory of Ionization of Gases by Collision, L., 1910; Townsend J.S., Electricity in Gases, Oxford, 1914; Franck J. u. Jordan P., Anregung v. Quantenspriingen durch Stosse, Berlin, 1926; Bloch L., Ionisation et rdsonance des gas et des vapeurs, P., 1925. К. Яковлев.

Ионизация атмосферного воздуха. Изолированный проводник, экспонированный в атмосфере, постепенно теряет свой заряд, в чем можно убедиться, наблюдая спадение соединенного с ним электроскопа. Это явление приводит к заключению о некоторой электропроводности атмосферы—свойству, которым она обязана присутствию в ней положительных и отрицательных ионов.

В атмосфере обнаружены ионы различной массы и подвижности; наиболее изучены обыкновенные, или малые, ионы. Ионизаторами атмосферы являются α-, β- и у-лучи радия, тория, актиния и их производных, находящихся в почве, в водах, в атмосфере, а также ультрафиолетовые лучи солнца, проникающая радиация и некоторые другие факторы. Около 64% И. обусловливается действием радиоактивных веществ, находящихся в почве: измерения радиоактивности почвенного воздуха показали, что он в несколько раз богаче ионами, чем воздух атмосферы. И. почвенного воздуха имеет суточный и годовой ход (maximum—летом и днем, minimum—зимой и ночью), а также зависимость от метеорологии, условий—эти явления обусловливаются интенсивностью транспирации воздуха в почве. В большей или меньшей степени радиоактивными являются все породы земной коры. В среднем граниты содержат 3,46 х 10^-12 Ra и 1,17 х 10^-15· Tli на 1 з породы, осадочные породы— 0,9 х 10-² Ra и 0,05 х 10~¹⁵ Тй, океанические воды—от 3,4 до 0,9 х Ю^-1* Ra на 1 см¹. Те же ионизующие элементы были найдены в различных и меняющихся количествах в атмосферном воздухе. Заряженная и изолированная проволока, экспонированная в атмосфере, всегда получает известную активность. Исследования атмосферы обнаруживают эманации Ra, Th, Ас, причем в среднем Ra : Th=13 :1.

Ионы, получаемые в атмосфере в результате действия ионизаторов, не однородны по своей массе и подвижности. Различают гл. образом обыкновенные (легкие) и тяжелые ионы, получающиеся оседанием электрич. зарядов на частицах пыли, молекулах водяного пара и тому подобное. Режим ионосодержания в атмосфере м. б. выражен ур-ием:

q=ап² + b№ + cN^n + dNn, (1)

где q—число малых положительных или отрицательных ионов, образующихся в 1 см³в секунду; η, N и N₁—числа малых и тяжелых ионов и нейтральных ядер в 1 см³; а, Ь, с и d—некоторые постоянные. Отдельные слагаемые правой части последовательно представляют собою числа ионов, теряемых 1 см³ от молизации малых и тяжелых ионов, от перехода малых ионов в тяжелые и от оседания ионов на нейтральных ядрах. Теоретич. подсчет ф-лы (1) дает q равным от 5 до 12 ионов в 1 см³ в ск. С другой стороны, радиации почвы, вод, атмосферного воздуха и других ионизаторов суммарно дают около 9 ионов в 1 см³ в ск. Получается хорошее совпадение для таких общих подсчетов, показывающее, что деятельность этих агентов в состоянии объяснить И. атмосферного воздуха и ее особенности.

Количество ионов в 1 см³ в атмосфере измеряется особыми приборами—счетчиками ионов: если п—число ионов какого-либо знака в 1 см³, D—количество воздуха, протекающее в единицу времени через единицу поверхности, нормальной к потоку, dv— потеря заряда конденсатора в V, С—его емкость и ε—заряд иона, то

С dv=Ώηε, (2)

откуда м. б. определено и п. Непосредственные наблюдения дали в среднем для обыкновенных ионов:

η* η п· : п

Для наблюдений на земной поверхности. 737 668 1,23

Для наблюдений над морем.. 736 558 1,28

Хотя отдельные наблюдения отличаются от этих величин (п“ и п могут доходить до 1 000 и более), все же средние числа довольно устойчивы, так же как и электрополярность атмосферы (то есть превышение количества положительных ионов над числом отрицательных ионов). Количество тяжелых ионов может значительно превышать эти числа, в особенности у земной поверхности. С увеличением высоты число ионов возрастает,— для Я=2 00СК-3 000 метров находим: п’ и п равны 2 000—3 000.

Характерным свойством ионов является их подвижность; для обыкновенных ионов она равна 1,5 см/с к: У/см, причем отрицательные ионы несколько более подвижны: ν:ν’=1,1; тяжелые ионы обладают подвижностью в 1 000—3 000 раз меньшей.

Ионосодержание атмосферы является гео-физич. элементом, то есть имеет определенное географии, распределение и вариации в течение года и суток и зависит от других элементов. Годовой и суточный ход И. атмо сферного воздуха подобен ходу И. почвенного воздуха; из геофизич. элементов наибольшее влияние оказывает относительная влажность, понижающая количество ионов и их подвижность.

Из практич. приложений учения об И. атмосферного воздуха упомянем о его приложениях в деле разведки полезных ископаемых и в сел. хозяйстве. Так как одной из причин И. атмосферного воздуха является влияние радиоэлементов земной поверхности, то это открывает возможность исследовать при помощи полевых измерений И. распределение радиоэлементов в геологич. и разведочных целях. Применяемые методы основаны на измерении ионизационного эффекта: 1) всех излучений (α-, β-, γ-) от радиоэлементов земной поверхности в атмосфере; 2) тех же излучений внутри камеры с открытым дном, помещенной на поверхности почвы; 3) у-излучений при помощи у-электрометра. Работы этими методами установили факт повышенной И. и ионообразо-вания на участках, богатых радиоэлементами. Те же явления обнаружены в связи с тектонич. линиями (разломами, сбросами), зонами трещиноватости, усиленным метаморфозом, петрографическим составом пород и т. д. Измерения в шахтах, шурфах, разведочных канавах и прочие дают еще более резкие указания на присутствие радиоактивных пород. У нас подобные работы производятся Геологическим комитетом.

И. в атмосфере (в радиотехническом отношении), особенно в верхних слоях ее, определяет в значительной степени законы распространения электромагнитн. волн (коротких и средних); подробности см. Электромагнитные волны, Беспроволочная связь.

Лит.: Оболенский В., Атмосферное электричество, СПБ, 1912; Mathias Е., iraity d’electricity atmosphyrique et tellurique, P., 1924; К ii tiler К., Luftelektrizitat, В., 1921; Ambron R., Methoden d. ang. Geophysik, Dresden—Lpz., 1926; «Terrestrial Magnetism a. Atmospheric Electricity», Baltimora. С. Бастамов.