Przeczytaj
Warto przeczytać
Jonizacja jest zjawiskiem tworzenia jonu z elektrycznie obojętnego atomu. Atomy składają się z jądra atomowego (zawierającego protony i neutrony) oraz z krążących wokół jądra elektronów. Atomy są obojętne elektrycznie, gdyż liczba protonów (o ładunku elementarnym dodatnim) jest równa liczbie elektronów (o ładunku elementarnym ujemnym). Ładunek elementarny ma wartość = 1,6 · 10Indeks górny -19-19 C.
Protony i neutrony w jądrze są związane za pomocą silnych oddziaływań jądrowychoddziaływań jądrowych, przewyższających elektryczne odpychanie między protonami. Nie jest zatem możliwe zjonizowanie atomu przez usunięcie protonu z jądra. Z drugiej strony, względnie proste jest usunięcie elektronu, utrzymywanego na orbicie wokół jądra tylko siłami elektrycznymi. W zjawisku jonizacji dochodzi zatem do usunięcia części elektronów z atomu. W efekcie powstają elektrony swobodne i dodatnio naładowany jon (kation). Równanie reakcji jonizacji atomu pierwiastka X, w sytuacji, gdy usuwane jest z niego elektronów (dochodzi do aktów jonizacji), można zapisać następująco:
Na Rys. 1. przedstawiamy proces jonizacji, na przykładzie atomu helu. Najczęściej występujący izotop helu składa się z jądra atomowego, w którym występują dwa protony i dwa neutrony oraz dwóch elektronów krążących wokół jądra. Aby oderwać jeden elektron i otrzymać kation helu HeIndeks górny ++ o pojedynczym ładunku dodatnim należy dostarczyć do elektronu energię wynoszącą przynajmniej 24,6 eV (elektronowoltów). Oderwanie drugiego elektronu wymaga już prawie dwukrotnie większej energii, wynoszącej ok. 54,4 eV.
Jak można dostarczyć elektronom energię niezbędną do oderwania się od atomu? Możemy to zrobić na kilka sposobów.
Sposób 1. Oświetlenie atomów światłem o odpowiedniej długości fali
Światło może wybijać elektrony z atomów, a zjawisko to nazywamy fotojonizacją. Fotojonizacja może zachodzić zarówno dla gazów, cieczy, jak i ciał stałych. W tym procesie, fotony światła mogą przekazywać swoją energię elektronom podczas zderzenia, doprowadzając do ich wybijania z atomów.
Energia fotonu związana jest z długością fali promieniowania następującą relacją:
gdzie = 3 · 10Indeks górny 88 m/s jest prędkością światła w próżni, a = 6,63 · 10Indeks górny -34-34 J·s to stała Plancka.
W przypadku gazów, mamy do czynienia z izolowanymi atomami. Aby oderwać elektron od atomu, należy dostarczyć do niego energię większą niż energia jonizacji . Innymi słowy, by doszło do fotojonizacji, spełniony musi być warunek:
Możemy wprowadzić graniczną długość fali promieniowania , która jeszcze powoduje jonizację:
W przypadku cieczy i ciał stałych atomy nie są izolowane, lecz oddziałują ze sobą – istnieją wiązania chemiczne między nimi. Ciecze i ciała stałe mają również określone wymiary przestrzenne, czego nie można powiedzieć o gazach. W przypadku jonizacji cieczy lub ciała stałego, możemy mówić o dwóch jej rodzajach:
Oderwanie elektronu od atomu wewnątrz materiału;
Wyjście elektronu z materiału.
W pierwszym przypadku mówimy o zjawisku fotoelektrycznym wewnętrznym, a energia niezbędna do oderwania elektronu jest równa odpowiedniej energii jonizacji. W drugim przypadku mówimy o zjawisku fotoelektrycznym zewnętrznym – w tym przypadku niezbędną ilość energii nazywamy pracą wyjścia W. Wartość pracy wyjścia związana jest z koniecznością oderwania elektronu od atomu i wyprowadzenia go na powierzchnię materiału.
Sposób 2. Umieszczenie atomów w odpowiednio silnym polu elektrycznym
Pole elektryczne może doprowadzić do rozdzielenia jądra i elektronów w atomach. Ładunki jądra i elektronów posiadają przeciwne znaki, więc w zewnętrznym polu elektrycznym będą działać na nie siły o przeciwnych zwrotach. Dla odpowiednio silnych pól elektrycznych, wartości sił rozdzielających ładunki staną się większe niż siły elektrycznego przyciągania między jądrem i elektronami. Jeśli dane pole elektryczne wytwarza różnicę potencjałów , a energia niezbędna do jonizacji atomu wynosi , to aby doszło do jonizacji, musi być spełniona relacja:
Zjawisko jonizacji w polu elektrycznym jest wspólne dla gazów, cieczy i ciał stałych. Przy odpowiednio wysokich wartościach napięcia może dojść do tzw. wyładowania kaskadowego. Powstałe jony i elektrony są przyspieszane w polu elektrycznym – nabywają więc wysokiej energii kinetycznej. Gdy dojdzie do zderzenia cząstek z innymi atomami, przekazana energia może doprowadzić do ich jonizacji, powstania nowych jonów i swobodnych elektronów, które następnie ulegają przyspieszeniu… Jest to przykład samonapędzającej się reakcji, a ilość zjonizowanych cząstek szybko rośnie z czasem.
Sposób 3. Podgrzanie materiału do bardzo wysokich temperatur, rzędu 1000°C
Metoda ta jest typowa dla ciał stałych. W tak wysokich temperaturach, elektrony uzyskują dostateczną energię termicznąenergię termiczną, by oderwać się od swoich macierzystych atomów. Gęstość prądu elektronowego płynącego z materiału rozgrzanego do temperatury można opisać za pomocą prawa Richardsona:
gdzie jest pewną bezwymiarową stałą, typową dla danego materiału, = 9,1 · 10Indeks górny -31-31 kg jest masą elektronu, = 1,38 · 10Indeks górny -23-23 J/K oznacza stałą Boltzmanna, a – pracę wyjścia elektronu.
Zjawisko emitowania elektronów z powierzchni rozgrzanego materiału nazywamy termoemisją. Co jest istotne – widzimy, że ilość emitowanych elektronów bardzo silnie wzrasta ze wzrostem temperatury. W prawie Richardsona występuje iloczyn kwadratu temperatury i funkcji wykładniczej, w której wykładniku jest temperatura. Dlatego zjawiska termoemisji stają się istotne dopiero dla wysokich temperatur.
Jak widzisz, istnieją trzy podstawowe sposoby jonizacji atomów. Jonizację gazu możemy obserwować na co dzień – przykładowo, zasada działania popularnych lamp neonowych polega na świeceniu zjonizowanego gazu. W tym przypadku, jonizacja zachodzi przez umieszczenie gazu w silnym polu elektrycznym. Powstałe w wyniku jonizacji swobodne elektrony i kationy gazu są przyspieszane w polu elektrycznym i mogą przekazywać nabytą w ten sposób energię innym atomom. Podczas zderzenia może dojść do jonizacji kolejnych atomów lub ich wzbudzenia. Wzbudzony atom będzie oddawał nadmiar energii poprzez emisję promieniowania świetlnego.
Zjawisko jonizacji występuje również podczas burzy i umożliwia przeskok błyskawicy. W normalnych warunkach powietrze jest izolatorem elektrycznym i uniemożliwia przepływ prądu. Z kolei błyskawica jest obszarem, w którym płynie prąd o gigantycznym natężeniu. Jak jest to zatem możliwe? W chmurach burzowych występują silne prądy powietrzne, które powodują ruch kropel wody w górę i dół chmury. W wyższych partiach chmur temperatura powietrza wynosi mniej niż °C, więc krople zamarzają. Podczas ruchu krople wody i kryształki lodu trą o siebie wzajemnie. Kryształki znajdujące się w górnych częściach chmury uzyskują ładunek dodatni, a krople wody znajdujące się w częściach niższych – ujemny. Ujemny ładunek zgromadzony przy podstawie chmury powoduje przyciągnięcie z ziemi ładunku dodatniego. Zarówno pomiędzy górną i dolną częścią chmury, jak i między dolną częścią chmury a ziemią, wytwarzają się zatem bardzo silne pola elektryczne. Pola te powodują jonizację powietrza, zgodnie z mechanizmem opisanym powyżej. Zjonizowane powietrze zawiera swobodne elektrony oraz jony azotu, tlenu i innych pierwiastków obecnych w powietrzu. To sprawia, że powietrze przestaje być izolatorem elektrycznym. Umożliwia to powstawanie wyładowań elektrycznych (błyskawic) zarówno między chmurą a ziemią, jak i między dwiema chmurami. Schemat powstawania błyskawicy przedstawia Rys. 3.
Słowniczek
(ang.: thermal energy) – rodzaj energii kinetycznej związanej z ruchem atomów i innych cząstek. W przypadku atomów w cieczy i gazach mówimy o swobodnym ruchu, w przypadku atomów w ciałach stałych i elektronów w atomach – o drganiach. Przykładowo, przejście ze stanu stałego do cieczy polega na podgrzaniu ciała do takiej temperatury, w której energia drgań termicznych atomów stanie się większa niż energia wiązań je utrzymujących.
(ang.: nuclear forces) – siły przyciągające, działające między składnikami jądra atomowego – protonami i neutronami. Mają one ponad stukrotnie wyższą wartość niż odpychające siły elektryczne działające między protonami. Zasięg działania sił jądrowych jest jednak bardzo krótki i szybko zanikają one w obszarze poza jądrem atomowym. Gdyby siły jądrowe nie istniały, niemożliwe byłoby stworzenie pierwiastków innych niż wodór, ze względu na odpychanie się protonów w jądrze. Nie powstałoby wtedy życie w znanej przez nas formie.