W filmie omówiona jest problematyka dwukrotnej jonizacji tego samego atomu. Narzędziem jest model matematyczny (najprostszy z najprostszych…) dochodzenia do stanu równowagi układu, w którym mogą występować atomy, jony jednokrotne i jony dwukrotne (oraz swobodne elektrony). Czynnikiem jonizującym jest wiązka (fotonów lub cząstek), której składniki mają energię dużo większą od energii jonizacji. Ostatecznym efektem jest pokazanie, że przy odpowiednim natężeniu tej wiązki można uzyskać duży udział jonów dwukrotnych w końcowej „mieszaninie”.
Uzasadnij, dlaczego energie jonizacji kolejnych elektronów są coraz większe.
uzupełnij treść
Atom jest elektrycznie obojętny. A jony?
Skoro atom jest elektrycznie obojętny, to oderwanie elektronu można w przybliżeniu potraktować jak oderwanie ujemnego ładunku elementarnego (elektronu) od obiektu naładowanego elementarnym ładunkiem dodatnim (od jednokrotnego jonu). Oderwanie drugiego elektronu – w tym samym przybliżeniu – polega na oddzieleniu ładunku elementarnego od podwójnego ładunku elementarnego przeciwnego znaku. Ten drugi proces wymaga większej energii. Analogiczne rozumowanie prowadzi do wniosku, że kolejne procesy jonizacji polegające na odrywaniu elektronów od coraz silniej naładowanych jonów, wymagają więc coraz większej energii.
Polecenie 2
Przygotuj krótką wypowiedź na temat przebiegu zależności NIndeks dolny ee od czasu w pokazanych wykresach. Czy przebiegi te są spójne z przebiegami pozostałych trzech zmiennych? Czy możliwe jest, by liczebność elektronów przewyższyła 10.000?
uzupełnij treść
Połącz równaniem NIndeks dolny ee z NIndeks dolny jj oraz NIndeks dolny dd.
Liczba swobodnych elektronów związana jest z obecnością jonów: na każdy jon jednokrotny przypada jeden swobodny elektron, a na każdy jon dwukrotny - dwa swobodne elektrony: NIndeks dolny ee = NIndeks dolny jj + 2·NIndeks dolny d Indeks dolny koniecd
Na wszystkich trzech wykresach widać, że NIndeks dolny ee ≥ NIndeks dolny jj, co jest zgodne z powyższym równaniem. W stanach równowagowych, na przykład na wykresie „I = 20 cząstek/sekundę”, można odczytać (w przybliżeniu) NIndeks dolny ee = 5000, NIndeks dolny jj = 3000 oraz NIndeks dolny dd = 1000, co zgadza się z powyższym związkiem.
Liczebność swobodnych elektronów może być większa od 10.000, czyli od początkowej liczby atomów. Na przykład, gdyby NIndeks dolny jj = 4000, NIndeks dolny dd = 3500 (wtedy NIndeks dolny aa = 2500), to NIndeks dolny ee = 11.000. Taką sytuację obserwujemy na wykresie zależności od natężenia wiązki w okolicach I = 150 cząstek/sekundę.
Polecenie 3
Czy jest możliwe dobranie takiego natężenia wiązki jonizującej, by liczebność jonów jednokrotnych wynosiła praktycznie 10.000?
uzupełnij treść
Przeanalizuj specyficzny obszar wykresu, o którym mowa w ostatniej scence filmu.
W tym obszarze liczebność jednokrotnych jonów osiąga lokalne maksimum – przestaje rosnąć a zaczyna maleć. Jedną z przyczyn jest malejąca liczba atomów, z których te jony powstają. Drugą przyczyną jest właśnie wzrost natężenia wiązki, która sprzyja kolejnej jonizacji tych jonów. Jej prawdopodobieństwo staje się na tyle duże w porównaniu z prawdopodobieństwem jonizacji atomu, że po uwzględnieniu procesów rekombinacji, następuje spadek liczby jonów jednokrotnych. W efekcie dalszy wzrost natężenia wiązki sprzyja produkcji jonów dwukrotnych.
Tak więc uzyskanie praktycznie stuprocentowej zawartości jonów jednokrotnych w próbce jest niemożliwe, niezależnie od natężenia wiązki jonizującej.