Ионизация атома происходит когда электроны добавляются. Энергия и потенциал ионизации атомов. По законам классической физики
Или молекул .
Положительно заряженный ион образуется, если электрон в атоме или молекуле получает достаточную энергию для преодоления потенциального барьера , равную ионизационному потенциалу. Отрицательно заряженный ион, наоборот, образуется при захвате дополнительного электрона атомом с высвобождением энергии.
Принято различать ионизацию двух типов - последовательную (классическую) и квантовую, не подчиняющуюся некоторым законам классической физики .
Классическая ионизация
Аэроионы, кроме того, что они бывают положительными и отрицательными, разделяются на лёгкие, средние и тяжёлые ионы. В свободном виде (при атмосферном давлении) электрон существует не более, чем 10 −7 - 10 −8 секунды.
Ионизация в электролитах
Ионизация в тлеющем разряде происходит в разрежённой атмосфере инертного газа (например, в аргоне) между электродом и проводящим кусочком образца.
Ударная ионизация . Если какая-либо частица с массой m (электрон, ион или нейтральная молекула), летящая со скоростью V, столкнётся с нейтральным атомом или молекулой, то кинетическая энергия летящей частицы может быть затрачена на совершение акта ионизации, если эта кинетическая энергия не меньше энергии ионизации.
См. также
Wikimedia Foundation . 2010 .
Синонимы :Смотреть что такое "Ионизация" в других словарях:
Образование положит. и отрицат. ионов и свободных эл нов из электрически нейтральных атомов и молекул. Термином «И.» обозначают как элементарный акт (И. атома, молекулы), так и совокупность множества таких актов (И. газа, жидкости). Ионизация в… … Физическая энциклопедия
ИОНИЗАЦИЯ, превращение атомов и молекул в ионы и свободные электроны; процесс, обратный рекомбинации. Ионизация в газах происходит в результате отрыва от атома или молекулы одного или нескольких электронов под влиянием внешних воздействий. В… … Современная энциклопедия
Превращение атомов и молекул в ионы. Степень ионизации отношение числа ионов к числу нейтральных частиц в единице объема. Ионизация в электролитах происходит в процессе растворения при распаде молекул растворенного вещества на ионы… … Большой Энциклопедический словарь
ИОНИЗАЦИЯ, ионизации, мн. нет, жен. 1. Образование или возбуждение ионов в какой нибудь среде (физ.). Ионизация газов. 2. Введение в организм лекарственных веществ посредством ионов, возбуждаемых электрическим током в этих веществах (мед.).… … Толковый словарь Ушакова
Фотолиз Словарь русских синонимов. ионизация сущ., кол во синонимов: 7 автоионизация (1) … Словарь синонимов
ИОНИЗАЦИЯ, процесс превращения нейтральных атомов или молекул в ионы. Положительные ионы могут образовываться в результате сообщения энергии отсоединенным от атома ЭЛЕКТРОНАМ, например, во время рентгеновского, УЛЬТРАФИОЛЕТОВОГО облучения или под … Научно-технический энциклопедический словарь
ИОНИЗАЦИЯ, и, жен. (спец.). Образование ионов в какой н. среде. И. газов. | прил. ионизационный, ая, ое. Толковый словарь Ожегова. С.И. Ожегов, Н.Ю. Шведова. 1949 1992 … Толковый словарь Ожегова
Процесс превращения электрически нейтральных атомов и молекул в ионы обоих знаков. Происходит при хим. реакциях, при нагревании, под действием сильных электрических полей, света и др. излучений. Вещество может быть ионизировано во всех трех физ.… … Геологическая энциклопедия
Ionization образование положительных и отрицательных ионов из электрически нейтральных атомов и молекул. Термины атомной энергетики. Концерн Росэнергоатом, 2010 … Термины атомной энергетики
ионизация - и, ж. ionisation <гр. физ. Превращение нейтральных атомов или молекул в ионы. Ионизационный ая, ое. Крысин 1998. Уш. 1934: иониза/ция … Исторический словарь галлицизмов русского языка
ионизация - — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия EN ionization … Справочник технического переводчика
Книги
- Масс-спектрометрия синтетических полимеров , В. Г. Заикин. Монография представляет собой первое в отечественной литературе обобщение масс-спектрометрических подходов к разностороннему исследованию высокомолекулярных синтетических органических…
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.
Важным энергетическим параметром для изучения химических процессов является энергия ионизации атома. Применительно к атому водорода это энергия, которую необходимо затратить, для того чтобы оторвать электрон от протона.
Она равна сумме потенциальной энергии системы и кинетической энергии электрона.
E a = E+T= -Z . e/2 . R, (2.7)
где E a -энергия атома водорода.
Из формулы (2.7) следует, что уменьшение расстояния между электроном и ядром и увеличение заряда ядра означают увеличение силы притяжения электрона к ядру. То есть, потребуется больше энергии для отрыва электрона от ядра. Чем больше энергии требуется для разрыва этой связи, тем более стабильна система.
Следовательно, если разрушение связи (отделение электрона от ядра) в одной системе требует больше энергии, чем в другой, то первая система более стабильна.
Энергия ионизации атома - та энергия, что требуется для разрыва связей в атоме водорода, была определена экспериментально . Она равна 13,6 эВ (электронвольт). Также экспериментально была определена энергия, необходимая для отрыва электрона от ядра в атоме, состоящем из одного электрона и ядра, заряд которого в два раза больше, заряда ядра атома водорода. В этом случае необходимо затратить в четыре раза больше энергии (54,4 эВ).
Как известно из электростатики, энергия (Т ), необходимая для разрыва связи между противоположенными зарядами (Z и е ), находящимися друг от друга на расстоянии R , определяется равенством
Она пропорциональна величине зарядов и обратно пропорциональна расстоянию между ними. Такая корреляция вполне понятна: чем больше заряды, тем сильнее их притяжение друг к другу, следовательно, больше энергии требуется для разрыва связи между ними. И чем меньше расстояние между ними, тем больше энергии придется затратить на разрушение связи. Благодаря этому становится понятным, почему атомная система, где заряд ядра в два раза больше, чем заряд ядра в атоме водорода, более стабильна и требует больше энергии для отрыва электрона.
СРОДСТВО К ЭЛЕКТРОНУ частицы (молекулы, атома, иона), миним. энергия А, необходимая для удаления электрона из соответствующего отрицат. иона на бесконечность. Для частицы X С. к э. относится к процессу:
С. к э. равно энергии ионизации E отрицат. иона X - (первому потенциалу ионизации U 1 , измеряется в эВ). По аналогии с потенциалом ионизации различают первое и второе С. к э., а также вертикальное и адиабатическое С. к э. многоатомной частицы. Термрдинамич. определение С. к э.-стандартная энтальпия р-ции (1) при абс. нуле температуры:
АN А (N А ~постоянная Авогадро).
Надежных эксперим. данных по С. к э. атомов и молекул до сер. 60-х гг. 20 в. практически не существовало. В настоящее время использование равновесных методов получения и исследования отрицат. ионов позволило получить первые С. к э. для большинства элементов периодич. системы и неск. сотен орг. и неорг. молекул. Наиб. перспективные методы определения С. к э.-фотоэлектронная спектроскопия (точность + 0,01 эВ) и масс-спектрометрич. исследование равновесий ионно-молекулярных реакций. Квантовомех. расчеты С. к э. аналогичны расчетам потенциалов ионизации. Наилучшая точность для многоатомных молекул составляет 0,05-0,1 эВ.
Наибольшим С. к э. обладают атомы галогенов. Для ряда элементов С. к э. близко к нулю или меньше нуля. Последнее означает, что для данного элемента устойчивого отрицат. иона не существует. В табл. 1 приведены значения С. к э. атомов, полученные методом фотоэлектронной спектроскопии (работы У. Лайнебергера с сотрудниками).
ЭЛЕКТРООТРИЦАТЕЛЬНОСТЬ
, величина, характеризующая способность атома к поляризации ковалентных связей. Если в двухатомной молекуле А - В образующие связь электроны притягиваются к атому В сильнее, чем к атому А, то атом В считается более электроотрицательным, чем А.
Л. Полинг предложил (1932) для количеств. характеристики электроотрицательности использовать термохим. данные об энергии связей А-А, В - В и А - В - соотв. Е АА, Е вв и Е АВ. Энергия гипотетической чисто ковалентной связи А - В (Е ков) принимается равной среднеарифметич. или среднегеометрич. значению величин E AA и Е ВВ. Если электроотрицательности атомов А и В различны, то связь А - В перестает быть чисто ковалентной и энергия связи Е АВ станет больше Е ков на величину
Чем больше различие электроотрицательностей атомов А и В, тем больше величина Используя эмпирич. ф-лу 
(множитель 0,208 возникает при переводе значений энергии из ккал/моль в эВ) и принимая для атома водорода произвольное значение электроотрицательности равное 2,1, Полинг получил удобную шкалу относит. числовых значений электроотрицательности, часть к-рых приведена в табл. Наиб. электроотрицателен самый легкий из галогенов - F, наименее - тяжелые щелочные металлы.
Для количеств. описания электроотрицательности, помимо термохим. данных, используют также данные о геометрии молекул (напр., метод Сандерсона), спектральные характеристики (напр., метод Горди).
АТОМНЫЕ РАДИУСЫ , эффективные характеристики атомов, позволяющие приближенно оценивать межатомное (межъядерное) расстояние в молекулах и кристаллах. Согласно представлениям квантовой механики, атомы не имеют четких границ, однако вероятность найти электрон, связанный с данным ядром, на определенном расстоянии от этого ядра быстро убывает с увеличением расстояния. Поэтому атому приписывают нек-рый радиус, полагая, что в сфере этого радиуса заключена подавляющая часть электронной плотности (90-98%). Атомные радиусы - величины очень малые, порядка 0,1 нм, однако даже небольшие различия в их размерах могут сказываться на структуре построенных из них кристаллов, равновесной конфигурации молекул и т.п. Опытные данные показывают, что во мн. случаях кратчайшее расстояние между двумя атомами действительно примерно равно сумме соответствующих атомных радиусов (т. наз. принцип аддитивности атомных радиусов). В зависимости от типа связи между атомами различают металлич., ионные, ковалентные и ван-дер-ваальсовы атомные радиусы.
Металлич. радиус равен половине кратчайшего расстояния между атомами в кристаллич. структуре металла. Его значение зависит от координац. числа К (числа ближайших соседей атома в структуре). Чаще всего встречаются структуры металлов с К = 12. Если принять значение атомных радиусов в таких кристаллах за 1, то атомные радиусы металлов с К, равными 8, 6 и 4, составят соотв. 0,98, 0,96 и 0,88. Близость значений атомных радиусов разл. металлов - необходимое (хотя и недостаточное) условие того, что эти металлы образуют твердые р-ры замещения. Так, жидкие К и Li (радиусы 0,236 и 0,155 нм соотв.) обычно не смешиваются, а К с Rb и Cs образуют непрерывный ряд твердых р-ров (радиусы Rb и Cs-соотв. 0,248 и 0,268 нм). Аддитивность металлич. атомных радиусов позволяет с умеренной точностью предсказывать параметры кристаллич. решеток интерметаллич. соединений.
Ионные радиусы используют для приближенных оценок кратчайших межъядерных расстояний в ионных кристаллах, предполагая, что эти расстояния равны сумме соответствующих ионных радиусов атомов. Существует неск. систем значений ионных радиусов, отличающихся для индивидуальных ионов, но приводящих к примерно одинаковым межъядерным расстояниям в ионных кристаллах. Впервые ионные радиусы были определены в 20-х гг. 20 в. В. М. Гольдшмидтом, опиравшимся на рефрактометрич. значения радиусов F - и О 2- , равных соотв. 0,133 и 0,132 нм. В системе Л. Полинга за основу принято значение радиуса иона О 2- , равное 0,140 нм, в распространенной системе Н. В. Белова и Г. Б. Бокия радиус этого же иона принят равным 0,136 нм, в системе К. Шеннона -0,121 нм (К = 2).
Ковалентный радиус равен половине длины одинарной хим. связи X-X, где Х - атом неметалла. Для галогенов ковалентный атомный радиус - это половина межъядерного расстояния в молекуле Х 2 , для S и Se- в Х 8 , для С-в кристалле алмаза. Ковалентные радиусы F, Cl, Br, I, S, Se и С равны соотв. 0,064, 0,099, 0,114, 0,133, 0,104, 0,117 и 0,077 нм. Ковалентный радиус водорода принимают равным 0,030 нм, хотя половина длины связи Н-Н в молекуле Н 2 равна 0,037 нм. Пользуясь правилом аддитивности атомных радиусов, предсказывают длины связей в многоатомных молекулах. Напр., длины связей С-Н, С-F и С-С1 должны составлять 0,107, 0,141 и 0,176 нм соотв., и они действительно примерно равны указанным значениям во мн. орг. молекулах, не содержащих кратных углерод-углеродных связей; в противном случае соответствующие межъядерные расстояния уменьшаются.
Ван-дер-ваальсовы радиусы определяют эффективные размеры атомов благородных газов. Считают также, что эти радиусы равны половине межъядерного расстояния между ближайшими одинаковыми атомами, не связанными между собой хим. связью, т.е. принадлежащими разным молекулам, напр. в молекулярных кристаллах. Значения ван-дер-ваальсовых радиусов находят, пользуясь принципом аддитивности атомных радиусов, из кратчайших контактов соседних молекул в кристаллах. В среднем они на ~ 0,08 нм больше ковалентных радиусов. Знание ван-дер-ваальсовых радиусов позволяет определять конформацию молекул и их упаковку в молекулярных кристаллах. Энергетически выгодными обычно бывают такие конформации молекул, в к-рых перекрывание ван-дер-ваалъсовых радиусов валентно не связанных атомов невелико. Ван-дер-ваальсовы сферы валентно связанных атомов в пределах одной молекулы перекрываются. Внеш. контур перекрывающихся сфер определяет форму молекулы. Молекулярные кристаллы подчиняются принципу плотной упаковки, согласно к-рому молекулы, моделируемые своим "ван-дер-ваальсовым окаймлением", располагаются т. обр., что "выступы" одной молекулы входят во "впадины" другой. Пользуясь этими представлениями, можно интерпретировать кристаллографич. данные, а в ряде случаев и предсказывать структуру молекулярных кристаллов.
Билет 6.
Химическая связь.
Образование из атомов молекул, молекулярных ионов, ионов, кристаллических, аморфных и других веществ сопровождается уменьшением энергии по сравнению с невзаимодействующими атомами. При этом минимальной энергии соответствует определенное расположение атомов друг относительно друга, которому отвечает существенное перераспределение электронной плотности. Силы, удерживающие атомы в новых образованиях, получили обобщенное название ╚химическая связь╩. Важнейшие виды химической связи: ионная, ковалентная, металлическая, водородная, межмолекулярная.
Согласно электронной теории валентности, химическая связь возникает за счет перераспределения электронов валентных орбиталей, в результате чего возникает устойчивая электронная конфигурация благородного газа (октет) за счет образования ионов (В. Коссель) или образования общих электронных пар (Г. Льюис).
Химическая связь характеризуется энергией и длиной. Мерой прочности связи служит энергия, затрачиваемая на разрушение связи, или выигрыш в энергии при образовании соединения из отдельных атомов (E св). Так, на разрыв связи H√H затрачивается 435 кДжмоль √1 , а на атомизацию метана CH 4 √ 1648 кДжмоль √1 , в этом случае E C√H = 1648: 4 = 412 кДж. Длина связи (нм) √ расстояние между ядрами в том или ином соединении. Обычно длина связи и ее энергия антибатны: чем больше длина связи, тем меньше ее энергия.
Химическая связь обычно изображается черточками, соединяющими взаимодействующие атомы; каждая черта эквивалентна обобщенной паре электронов. В соединениях, содержащих более двух атомов, важной характеристикой является валентный угол, образуемый химическими связями в молекуле и отражающий ее геометрию.
Полярность молекулы определяется разностью электроотрицательностей атомов, образующих двухцентровую связь, геометрией молекулы, а так же наличием неподеленных электронных пар, так как часть электронной плотности в молекуле может быть локализована не в направлении связей. Полярность связи выражается через ее ионную составляющую, то есть через смещение электронной пары к более электроотрицательному атому. Полярность связи может быть выражена через ее дипольный момент м, равный произведению элементарного заряда на длину диполя *) м = e l. Полярность молекулы выражается через ее дипольный момент, который равен векторной сумме всех дипольных моментов связей молекулы.
*) Диполь √ система из двух равных, но противоположных по знаку зарядов, находящихся на единичном расстоянии друг от друга. Дипольный момент измеряется в кулон-метрах (Клм) или в дебаях (D); 1D = 0,33310 √29 Клм.
Все эти факторы следует учитывать. Например, для линейной молекулы CO 2 м = 0, но для SO 2 м = 1,79 D вследствие ее углового строения. Дипольные моменты NF 3 и NH 3 при одинаковой гибридизации атома азота (sp 3), примерно одинаковой полярности связей N√F и N√H (ОЭО N = 3; ОЭО F = 4; ОЭО H = 2,1) и сходной геометрии молекул существенно различаются, поскольку дипольный момент неподеленной пары электронов азота при векторном сложении в случае NH 3 увеличивает м молекулы, а в случае NF 3 уменьшает его.
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 - 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 . (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 [см 2 ], зависящим от сорта сталкивающихся частиц, их квантовых состояний и скорости . При анализе кинетики И. используются понятия скорости И. <v s 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 играет И. электронным ударом (столкновения со сводными
Рис. 1. Ионизация атомов и молекул водорода электронным ударом; 1 - атомы Н; 2 - молекулы Н 2 (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 , 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 а 0 =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 . 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 . Расчёт s i
одноэлектронной И. в рамках теории возмущений с учётом эффекта обмена приводит к удовлетворит, согласию с экспериментом для большинства атомов и ионов .
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 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 .
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 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 
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 г Ъw г)
вдали от границы (w-w г дw 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).
фотопоглощения фотона фиксированной частоты следующим образом:
Здесь сумма берётся по всем уровням атома, для к-рых энергетически возможна фотоионизация, и N n - плотность числа атомов в состоянии n. Вычисление сечений и сопоставление с эксперим. данными (в т. ч. и для
неводородоподобных атомов) приведены в . Сечение фотоионизации на 2-3 порядка ниже s i
при столкновениях.
Те же закономерности характеризуют И. внутр. оболочек атомов (при этом Z
имеет смысл эфф. заряда остова, в поле к-рого движется электрон). Фотоионизация глубоких внутр. оболочек атомов, в отличие от И. электронным ударом, практически нe влияет на электроны внеш. оболочек, т. е. является весьма селективным процессом. Оже-эффект, сопровождающий ликвидацию вакансии во внутр. оболочке, приводит к образованию многозарядного иона. При этом могут образоваться ионы неск. степеней кратности. В табл. даны вычисленные и наблюдаемые значения ср. зарядов ионов для нек-рых атомов.
Т а б л. - Вычисленные и наблюдаемые значения средних зарядов ионов
Экспериментально фотоионизация исследуется по измерению коэф. поглощения, регистрации числа образовавшихся ионов, измерению рекомбинац. излучения (сечения обратного процесса - фоторекомбинации). Фотоионизация играет существенную роль в ионизацонном балансе верхних слоев атмосферы, планетарных туманностей, подверженных ионизующему излучению звёзд и др.
Ионизованные газы и жидкости обладают электропроводностью, что лежит в основе их разл. применений. Это также даёт возможность измерять степень И. этих сред - отношение концентрации заряж. частиц к исходной концентрации нейтральных частиц. Газ с высокой степенью И. образует плазму
. Процессом, обратным И., является рекомбинация ионов и электронов
, связанная с ионизац. процессами соотношениями, следующими из принципов детального равновесия. Процессы И. и рекомбинации играют важную роль во всех электрич. разрядах в газах и разл. газоразрядных приборах.
Лит.:
1) Донец Е. Д., Овсянников В. П., Исследование ионизации положительных ионов электронным ударом, ""ЖЭТФ"", 1981, т. 80, с. 916; 2) Петеркоп Р.К., Теория ионизации атомов электронным ударом, Рига, 1975; 3) Вайнштейн Л. А., Собельман И. И., Юков Е. А., Возбуждение атомов и уширение спектральных линий, М., 1979; 4) Друкарев Г. Ф., Столкновения электронов с атомами и молекулами, М., 1978; 5) Маssеу Н. S. W., Gilbоdу Н. В., Electronic and ionic impact phenomena, v. 4, Oxf., 1974; 6) Месси Г., Бархоп Е., Электронные и ионные столкновения, пер. с англ., М., 1958; 7) Janev R. К., Presnyakov L. P., Collision processes of multiply charged ions with atoms, "Phys. Repts", 1981, v. 70, №1; 8) Shah М. В., Gilbody Н. В., Experimental study of the ionization of atomic hydrogen by fast multiply charged ions of carbon, nitrogen and oxygen, "J. Phys. В.", 1981, v. 14, p. 2831; 9) Собельман И. И., Введение в теорию атомных спектров, М., 1977. Л. П. Пресняков
.
