Warto przeczytać

Rekombinacja jest zjawiskiem polegającym na łączeniu się cząstek o przeciwnych ładunkach i utworzeniu cząstki obojętnej elektrycznie. Pojęcie rekombinacji pojawia się w różnych zagadnieniach fizyki, kosmologiikosmologiakosmologii i chemii. Opiszemy je pokrótce poniżej.

O procesie rekombinacji możemy mówić na przykład w przypadku plazmy. Plazma, to czwarty stan materii (oprócz stałego, ciekłego i gazowego), a jej cechą charakterystyczną jest istnienie zjonizowanych atomów i swobodnych elektronów. Jonizacja atomów ma miejsce na skutek działania temperatury lub pola elektrycznego (więcej informacji na temat tego procesu znajdziesz np. w e‑materiale „Na czym polega zjawisko jonizacji?”). W takim układzie może dojść do procesu odwrotnego – jon może połączyć się z elektronem, tworząc obojętny atom. Procesowi temu towarzyszy emisja fotonu. Rekombinacja w tym znaczeniu jest pojęciem odwrotnym do jonizacji.

RgDObPeBhpscF

Rys. 1. Na ilustracji widoczne jest zdjęcie lampy plazmowej. W szklanej, przezroczystej kuli znajduje się jasny punkt w kolorze czerwonym, z którego do krawędzi kuli wychodzą niebieskie promienie przypominające błyskawice. Po zetknięciu z wewnętrzną powierzchnią kuli, niebieskie promienie tworzą fioletowe smugi. Jasny punkt w środku szklanej kuli to źródło naładowanych cząstek, które w postaci promieni biegną do szklanej powierzchni wewnętrznej kuli, która ma ładunek obojętny. Tworzą w ten sposób efektowny obrazek przypominający pioruny, takie jak obserwujemy podczas burzy.

Przykładowe równanie rekombinacji w plazmie neonowej moglibyśmy zapisać jako:

gdzie γgamma oznacza wyemitowany foton.

Nieco inny mechanizm rekombinacji występuje w materiałach półprzewodnikowych – jest to grupa materiałów stanowiąca podstawę istnienia różnorodnych urządzeń, do których zaliczamy wszelkie układy elektroniczne, detektory, ogniwa fotowoltaiczne i niektóre typy laserów. Do półprzewodników zaliczamy na przykład german i krzem. Półprzewodniki nie należą do materiałów dobrze przewodzących prąd elektryczny. Jednakże, oświetlenie ich światłem o odpowiedniej długości fali lub przyłożenie odpowiednio silnego pola elektrycznego powoduje dostarczenie elektronom w materiale energii, która powoduje ich przejście do stanu wzbudzonego. Nie jest to jonizacja – gdyż elektron nie opuszcza materiału, lecz jedynie przechodzi na wyższy poziom energetyczny. W miejscu, które elektron opuścił, powstaje tzw. dziura elektronowa. Wzbudzone elektrony mogą brać udział w przepływie prądu elektrycznego – w ten sposób, przy wykorzystaniu ogniw fotowoltaicznych, możemy przekształcać energię promienistą od Słońca na energię elektryczną. Wzbudzony elektron może też oddawać swoją energię poprzez rekombinację z dziurami elektronowymi. W takim procesie energia elektronu zamieniana jest na foton – na tej zasadzie działają lasery półprzewodnikowe. Przykładowa reakcja rekombinacji dziury i elektronu ma postać:

gdzie symbolem eIndeks górny –*^–* oznaczyliśmy elektron wzbudzony (o wyższej energii), a symbolem hIndeks górny +⁺ - dziurę elektronową (od ang. hole – dziura).

Co mają ze sobą wspólnego laser i ogniwo fotowoltaiczne? Do działania obydwu niezbędne jest zjawisko rekombinacji.

R1XSt3nq6q7xX

Rys. 2a. Ilustracja przedstawia cztery lasery ujęte w prawej górnej części zdjęcia. Lasery leżą jeden obok drugiego i emitują światło. Laser najbardziej z góry emituje światło o barwie fioletowej, drugi od góry o barwie niebieskiej, Drugi od dołu emituje wiązkę zieloną, a najniższy emituje światło czerwone. Wiązki widoczne sią w postaci prostych promieni biegnących równolegle w lewo i w dół.

RP2E7xWQLI9lw

Rys. 2b. Na ilustracji widoczne jest zdjęcie niebieskiego dachu pokrywającego biały dom jednorodzinny. Zdjęcie wykonano w słoneczny dzień. Na lewej części dachu widoczne są zamontowane panele słoneczne służące do wytworzenia energii elektrycznej ze światła słonecznego. Panele skierowane są do słońca.

Inne znaczenie rekombinacji związane jest z reakcjami między materią i antymaterią. Czym jest antymateria? Cząstki antymaterii posiadają takie same właściwości jak cząstki materii, z jedną różnicą – ładunek elektryczny ma przeciwny znak (lecz nadal tę samą wartość). I tak na przykład, antycząstką dla elektronu (eIndeks górny –^–) jest dodatnio naładowany pozyton (eIndeks górny +⁺). W procesie rekombinacji między materią i antymaterią w 99.8% przypadków powstają dwa fotony (w pozostałych 0.2% - jeden lub trzy). Równanie reakcji przy dwóch powstających fotonach możemy zapisać jako:

Reakcję cząstki ze swoją antycząstką nazywamy też anihilacjąanihilacjaanihilacją. Bardzo intensywne zjawiska tak rozumianej rekombinacji miały miejsce w początkowych etapach życia Wszechświata. Poczynając od około jednej sekundy po Wielkim Wybuchu istniejące elektrony połączyły się z pozytonami wypełniając istniejący ówcześnie Wszechświat promieniowaniem. Tak zwana era promieniowania trwała do ok. 100 000 lat po Wielkim Wybuchu. Wtedy zaczęła zachodzić rekombinacja rozumiana jako przeciwieństwo jonizacji. Istniejące wówczas protony i jądra helu wychwyciły swobodne elektrony, tworząc obojętne atomy wodoru i helu, z których następnie mogły powstać gwiazdy i ich układy, czyli galaktyki.

RwAVNKH9aWFTf

Rys. 3. Na ilustracji widoczny jest wynik symulacji w którym na czarnym tle widać kulę ziemską. Na kulę naniesione są obszary niebieskie, zielone, żółte i czerwone. Kolory symbolizują poziom promieniowania tła pozostałego po erze promieniowania. Kolor niebieski oznacza słabe promieniowanie a kolor czerwony oznacza najwyższy poziom promieniowania pochodzącego z danego obszaru kuli ziemskiej.

Jeszcze inna definicja rekombinacji występuje w chemii. Tam jest ona odwrotnością dysocjacji. Dysocjacja, to proces rozkładu danej substancji w roztworze na jony. Na przykład chlorek sodu NaCl (czyli popularna, znana nam sól kuchenna) rozpuszczony w wodzie tworzy jony NaIndeks górny +⁺ oraz ClIndeks górny –^–. Gdy w roztworze znajduje się dużo jonów, procesy dysocjacji i rekombinacji mogą zachodzić równolegle. Równanie rekombinacji w tym przypadku byłoby następujące:

Czy coś łączy te wszystkie procesy? Jak widzisz, niezależnie od tego, czy mówimy o fizyce, kosmologii czy chemii, rekombinacja w każdym przypadku prowadzi do usunięcia z danego obszaru cząstek o różnych ładunkach i powstania cząstki obojętnej elektrycznie.

Słowniczek