Энергия и потенциал ионизации атомов. Энергия ионизации атома Что такое ионизация атома

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.

ИОНИЗАЦИЯ - превращение атомов и молекул в ионы. Степень ионизации - отношение числа ионов к числу нейтральных частиц в единице объема. Большой энциклопедический словарь

  • ионизация - -и, ж. физ. Образование ионов и свободных электронов из электрически нейтральных атомов и молекул. Малый академический словарь
  • ионизация - ионизация ж. Превращение атомов и молекул в ионы; насыщенность ионами. Толковый словарь Ефремовой
  • Ионизация - Образование положительных и отрицательных ионов (См. Ионы) и свободных электронов из электрически нейтральных атомов и молекул. Термином «И.» обозначают как элементарный акт (И. атома, молекулы), так и совокупность множества таких актов (И. Большая советская энциклопедия
  • Ионизация - См. Электролитическая диссоциация. Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона
  • ионизация - Ион/из/а́ци/я [й/а]. Морфемно-орфографический словарь
  • ионизация - Физ. образование ионов; и. происходит под влиянием химических процессов, освещения газов ультрафиолетовыми или рентгеновскими лучами, под действием радиоактивных веществ, высоких температур, ударов быстрых электронов и ионов и других причин Большой словарь иностранных слов
  • ионизация - Ионизация, ионизации, ионизации, ионизаций, ионизации, ионизациям, ионизацию, ионизации, ионизацией, ионизациею, ионизациями, ионизации, ионизациях Грамматический словарь Зализняка
  • ионизация - ИОНИЗ’АЦИЯ, 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.). Ионизация носоглотки. Толковый словарь Ушакова
  • ионизация - ИОНИЗАЦИЯ, и, ж. (спец.). Образование ионов в какой-н. среде. И. газов. | прил. ионизационный, ая, ое. Толковый словарь Ожегова
  • ионизация - орф. ионизация, -и Орфографический словарь Лопатина
  • Ионизация - Образование положительных и отрицательных ионов и свободных электронов из электрически нейтральных атомов и молекул; процессы И. и рекомбинации ионов в нейтральные молекулы сбалансированы в организме так... Медицинская энциклопедия
  • ИОНИЗАЦИЯ - 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... Научно-технический словарь
  • ионизация - ИОНИЗАЦИЯ -и; ж. Физ. Образование ионов и свободных электронов из электрически нейтральных атомов и молекул. И. газа. Причины ионизации. Степень ионизации. ◁ Ионизационный, -ая, -ое. И-ые процессы. Толковый словарь Кузнецова
  • ионизация - сущ., кол-во синонимов: 7 автоионизация 1 аэроионизация 1 гидроаэроионизация 1 самоионизация 2 термоионизация 1 фотоионизация 1 фотолиз 4 Словарь синонимов русского языка
  • ионизация - Процесс, в котором электроны отрываются от атома или молекулы при столкновениях между частицами или в результате поглощения фотона. Возникающие при потере электронов заряженные частицы представляют собой положительные ионы. Большой астрономический словарь
  • ионизация - ИОНИЗАЦИЯ и, ж. ionisation <�гр. физ. Превращение нейтральных атомов или молекул в ионы. Ионизационный ая, ое. Крысин 1998. Уш. 1934: ионизация. Словарь галлицизмов русского языка
  • Глава 2. Теория пробоя Таунсенда
  • 2.1. Первый коэффициент Таунсенда
  • 2.2. Прилипание электронов к атомам и молекулам. Отрыв электронов от отрицательных ионов
  • 2.3. Второй коэффициент Таунсенда
  • 2.4. Электронная лавина
  • 2.5. Условие самостоятельности разряда. Закон Пашена
  • 2.6. Отступления от закона Пашена
  • 2.7. Время разряда
  • Глава 3. Пробой газа в различных частотных диапазонах
  • 3.1. СВЧ-пробой
  • 3.2. ВЧ-пробой
  • 3.3. Оптический пробой
  • Глава 4. Искровой разряд в газах
  • 4.1. Наблюдения за развитием разряда в ионизационной камере
  • 4.2. Схемы развития лавинно-стримерных процессов
  • 4.3. Граница таунсендовского и стримерного разрядов
  • 4.4. Пробой газов в наносекундном диапазоне времени
  • 4.5. Длинная искра, разряд в виде молнии
  • 4.6. Главный разряд
  • Глава 5. Самостоятельные разряды в газах
  • 5.1. Тихий разряд
  • 5.2. Тлеющий разряд
  • 5.3. Дуговой разряд
  • 5.4. Коронный разряд
  • 5.5. Разряд по поверхности твердого диэлектрика
  • 5.6. Зависимость пробивного напряжения газа от межэлектродного расстояния
  • Список литературы к разделу «Пробой газов»
  • Часть II. ПРОБОЙ ТВЕРДЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ
  • Глава 1. Тепловой пробой твердых диэлектриков
  • 1.1. Теория теплового пробоя Вагнера
  • 1.2. Другие теории теплового пробоя
  • Глава. 2. Классические теории электрического пробоя
  • 2.1. Теория Роговского. Разрыв ионной кристаллической решетки
  • 2.2. Разрыв твердого диэлектрика по микротрещине. Теория Горовица
  • 2.3. Теория А. Ф. Иоффе
  • 2.4. Теория А.А. Смурова. Теория электростатической ионизации
  • Глава 3. Квантово-механические теории электрического пробоя неударным механизмом
  • 3.1. Теория Зинера. Теория безэлектродного пробоя
  • 3.2. Теория Фаулера. Пробой электродного происхождения
  • 3.3. Теория Я.И. Френкеля. Теория термической ионизации
  • Глава 4. Теории пробоя твердых диэлектриков вследствие ударной ионизации электронами
  • 4.1. Теории Хиппеля и Фрелиха
  • 4.2. Теории пробоя, основанные на решении кинетического уравнения. Теория Чуенкова
  • 4.3. Некоторые замечания по теориям пробоя, основанных на рассмотрении механизма ударной ионизации электронами
  • Глава 5. Экспериментальные данные, укладывающиеся в представления о пробое твердых диэлектриков ударной ионизацией электронами
  • 5.1. Стадии пробоя твердых диэлектриков
  • 5.2. Развитие разряда в однородном и неоднородном полях в твердых диэлектриках
  • 5.3. Эффект полярности при пробое в неоднородном электрическом поле
  • 5.4. Влияние материала электродов на пробой твердых диэлектриков
  • 5.5. Зависимость времени разряда от толщины диэлектрика. Формирование многолавинно-стримерного механизма разряда
  • Глава 6. Процессы, наблюдаемые в диэлектриках в области сверхсильных электрических полей
  • 6.1. Электрическое упрочнение
  • 6.2. Электронные токи в микронных слоях ЩГК в сильных электрических полях
  • 6.3. Свечение в микронных слоях ЩГК
  • 6.4. Дислокации и трещины в ЩГК перед пробоем
  • Глава 7. Другие теории пробоя твердых диэлектриков
  • 7.2. Энергетический анализ электрической прочности твердых диэлектриков по теории Ю.Н. Вершинина
  • 7.4. Термофлуктуационная теория разрушения твердых диэлектриков электрическим полем В.С. Дмитревского
  • 7.5. Особенности пробоя полимерных диэлектриков. Теория электрического пробоя Артбауэра
  • 7.6. Теория электромеханического пробоя Старка и Гартона
  • Глава 8. Некоторые особенности и закономерности электрического пробоя твердых диэлектриков
  • 8.1. Статистический характер пробоя твердых диэлектриков
  • 8.2. Минимальное пробивное напряжение
  • 8.3. Неполный пробой и последовательный пробой
  • 8.4. Кристаллографические эффекты при пробое кристаллов
  • 8.5. Зависимость электрической прочности от температуры
  • 8.6. Зависимость электрической прочности от времени воздействия напряжения
  • 8.7. Пробой диэлектрических пленок
  • 8.8. Формованные системы металл–диэлектрик–металл (МДМ)
  • 8.9. Заключение по механизму электрического пробоя твердых диэлектриков
  • Глава 9. Электрохимический пробой
  • 9.1. Электрическое старение органической изоляции
  • 9.2. Кратковременное пробивное напряжение
  • 9.3. Старение бумажной изоляции
  • 9.4. Старение неорганических диэлектриков
  • Список литературы к разделу «Пробой твердых диэлектриков»
  • Часть III. ПРОБОЙ ЖИДКИХ ДИЭЛЕКТРИКОВ
  • Глава 1. Пробой жидкостей высокой степени очистки
  • 1.1. Проводимость жидких диэлектриков
  • 1.2. Пробой жидкостей вследствие ударной ионизации электронами
  • 1.3. Пробой жидкостей неударным механизмом
  • Глава 2. Пробой жидких диэлектриков технической очистки
  • 2.1. Влияние влаги
  • 2.2. Влияние механических загрязнений
  • 2.3. Влияние газовых пузырьков
  • 2.4. Теории теплового пробоя жидких диэлектриков
  • 2.5. Вольтолизационная теория пробоя жидких диэлектриков
  • 2.6. Влияние формы и размеров электродов, их материала, состояния поверхности и расстояния между ними на пробой жидкостей
  • 2.7. Развитие разряда и импульсный пробой в жидкостях
  • 2.8. Влияние ультразвука на электрическую прочность
  • 2.9. Внедрение разряда в твердый диэлектрик, погруженный в изолирующую жидкость
  • Список литературы к разделу «Пробой жидких диэлектриков»
  • ОГЛАВЛЕНИЕ
  • Практическое значение этого соотношения заключается в том, что, зная μ , которое сравнительно легко измерить, можно определить D ,

    которое определить непосредственно довольно трудно.

    Амбиполярная диффузия

    В плазме газового разряда диффундируют как электроны, так и ионы. Процесс диффузии представляется следующим. Электроны, обладающие большей подвижностью, быстрее диффундируют, чем ионы. За счет этого создается электрическое поле между электронами и отставшими положительными ионами. Это поле тормозит дальнейшую диффузию электронов, и наоборот – ускоряет диффузию ионов. Когда ионы подтянутся к электронам, указанное электрическое поле ослабевает, и электроны вновь отрываются от ионов. Этот процесс протекает непрерывно. Такая диффузия получила название амбиполярной диффузии, коэффициент которой

    D амб =

    D e μ и + D иμ e

    μ e + μ и

    где D e ,D и

    – коэффициенты диффузии электронов и ионов; μ е , μ и –

    подвижность электронов и ионов.

    Так как D e >> D и и μ е >> μ и , то оказывается, что

    D иμ е≈ D e μ и ,

    поэтому D амб ≈ 2D и . Такая диффузия имеет место, например, в положительном столбе тлеющего разряда.

    1.6. Возбуждение и ионизация атомов и молекул

    Известно, что атом состоит из положительного иона и электронов, число которых определяется номером элемента в периодической таблице Д.И. Менделеева. Электроны в атоме находятся на определенных энергетических уровнях. Если электрон получает извне некоторую энергию, он переходит на более высокий уровень, который называется уровнем возбуждения .

    Обычно электрон находится на уровне возбуждения непродолжительное время, порядка 10-8 с. При получении электроном значительной энергии он удаляется от ядра на столь большое расстояние, что может потерять с ним связь и становится свободным. Наименее связанными с ядром являются валентные электроны, которые находятся на более высоких энергетических уровнях и поэтому легче отрываются от атома. Процесс отрыва электрона от атома называется ионизацией.

    На рис. 1.3 показана энергетическая картина валентного электрона в атоме. Здесь W o – основной уровень электрона, W мст – метастабиль-

    ный уровень, W 1 ,W 2 – уровни возбуждения (первый, второй и т.д.).

    Часть I. Глава 1. Электронные и ионные процессы в газовом разряде

    Рис. 1.3. Энергетическая картина электрона в атоме

    W ′ = 0 – это состояние, когда электрон теряет связь с атомом. Величина W и = W ′ − W o являет-

    ся энергией ионизации. Значения указанных уровней для некоторых газов приведены в табл. 1.3 .

    Метастабильный уровень характеризуется тем, что на него и с него переходы электрона запрещены. Этот уровень заполняется так называемым обменным взаимодействием, когда электрон извне садится на уровень W мст , а избыточный

    электрон покидает атом. Метастабильные уровни играют важную роль в процессах, протекающих в газоразрядной плазме, т.к. на нормальном уровне возбуждения электрон находится в течение 10-8 с, а на метастабильном уровне – 10-2 ÷ 10-3 с.

    Таблица 1.3

    Энергия, эВ

    CО2

    W мст

    Процесс возбуждения атомных частиц определяет и ионизацию посредством так называемого явления диффузии резонансного излучения. Это явление заключается в том, что возбужденный атом, переходя в нормальное состояние, испускает квант света, который возбуждает следующий атом, и так далее. Область диффузии резонансного излучения определяется длиной свободного пробега фотона λ ν , которая зави-

    сит от плотности атомных частиц n . Так, при n= 1016 см-3 λ ν =10-2 ÷ 1

    см. Явление диффузии резонансного излучения также определяется наличием метастабильных уровней.

    Ступенчатая ионизация может происходить по разным схемам: а) первый электрон или фотон производит возбуждение нейтраль-

    ной частицы, а второй электрон или фотон сообщает валентному электрону добавочную энергию, вызывая ионизацию этой нейтральной частицы;

    Часть I. Глава 1. Электронные и ионные процессы в газовом разряде

    денного атома, и в этот момент возбужденный атом переходит в нормальное состояние и излучает квант света, который увеличивает энер-

    в) наконец, два возбужденных атома оказываются вблизи друг друга. При этом один из них переходит в нормальное состояние и испускает квант света, который ионизирует второй атом.

    Следует отметить, что ступенчатая ионизация становится эффективной, когда концентрация быстрых электронов (с энергией, близкой

    к W и ), фотонов и возбужденных атомов достаточно велика. Это име-

    ет место, когда ионизация становится достаточно интенсивной. В свою очередь, падающие на атомы и молекулы фотоны также могут производить возбуждение и ионизацию (прямую или ступенчатую). Источником фотонов в газовом разряде является излучение электронной лавины.

    1.6.1. Возбуждение и ионизация молекул

    Для молекулярных газов необходимо учитывать возможность возбуждения самих молекул, которые в отличие от атомов совершают вращательные и колебательные движения . Эти движения также квантуются. Энергия скачка при вращательном движении составляет 10-3÷ 10-1 эВ, а при колебательном движении – 10-2 ÷ 1 эВ.

    При упругом соударении электрона с атомом электрон теряет не-

    значительную часть своей энергии

    W = 2

    ≈ 10

    − 4 W . При соуда-

    рении электрона с молекулой электрон возбуждает вращательное и колебательное движение молекул. В последнем случае электрон теряет особенно значительную энергию до 10-1 ÷ 1 эВ. Поэтому возбуждение колебательных движений молекул является эффективным механизмом отбора энергии от электрона. При наличии такого механизма ускорение электрона затрудняется, и требуется более сильное поле для того, чтобы электрон мог набрать энергию, достаточную для ионизации. Поэтому для пробоя молекулярного газа требуется более высокое напряжение, чем для пробоя атомарного (инертного) газа при равном межэлектродном расстоянии и равном давлении. Это демонстрируют данные табл. 1.4, где проведено сравнение величин λ t ,S t и U пр атом-

    ных и молекулярных газов при атмосферном давлении и d = 1.3 см.

    Часть I. Глава 1. Электронные и ионные процессы в газовом разряде

    Таблица 1.4

    Характеристика

    Наименование газа

    S t 10 − 16 , см2

    U пр , кВ

    Из табл. 1.4 видно, что хотя транспортные сечения S t для молеку-

    лярных газов и аргона соизмеримы, однако пробивное напряжение аргона существенно ниже.

    1.7. Термическая ионизация

    При высоких температурах может происходить ионизация газа за счет повышения кинетической энергии атомных частиц, называемая термической ионизацией. Так, для паров Na, K, Cs термическая ионизация значительна при температуре в несколько тысяч градусов, а для воздуха при температуре порядка 104 град . Вероятность термической ионизации растет с повышением температуры и уменьшением потенциала ионизации атомов (молекул). При обычных температурах термическая ионизация незначительна и практически может оказать влияние только при развитии дугового разряда.

    Однако следует отметить, что еще в 1951 г. Хорнбеком и Молнаром было обнаружено, что при пропускании моноэнергетических электронов через холодные инертные газы происходит образование ионов при энергии электронов, достаточных только для возбуждения, но не для ионизации атомов. Этот процесс был назван ассоциативной ионизацией.

    Ассоциативная ионизация иногда играет важную роль при распространении волн ионизации и искровых разрядов в местах, где электронов еще очень мало. Возбужденные атомы образуются там в результате поглощения квантов света, выходящих из уже ионизированных областей. В умеренно нагретом воздухе, при температурах 4000÷ 8000 К, молекулы в достаточной степени диссоциированы, но электронов еще слишком мало для развития лавины. Основным механизмом ионизации при этом является реакция, в которой участвуют невозбужденные атомы N и О .

    Ассоциативная ионизация протекает по следующей схеме N + O + 2. 8 эВ ↔ NO + + q . Недостающая энергия 2.8 эВ черпается за счет кинетической энергии относительного движения атомов.

    Ионизация атомов может быть прямой, косвенной или многофотонной. В первом случае атом или молекула при столкновении с фотоном поглощает его энергию и ионизуется. При этом энергия фотона должна превышать энергию ионизации. Во втором случае атом, поглотив энергию фотона, переходит в возбужденное состояние. Если время жизни в возбужденном состоянии достаточно велико, то в результате следующих актов поглощения фотонов также может произойти ионизация атома. Эти процессы можно записать следующим образом:

    где обозначают нейтральный, возбужденный и ионизованный атом.

    В процессе прямой ионизации должны выполняться законы сохранения энергии и импульса:

    где - единичный вектор, определяющий начальное направление светового пучка, и - масса и скорость электрона, М и V - масса и скорость иона. Отделенный от атома электрон движется в направлении, противоположном движению положительного иона . С учетом этого

    Значение правой части выражения (28.3) не может превысить единицу; поэтому

    Первое из выражений (28.2) можно записать в виде

    Это означает, что почти вся энергия кванта передается электрону.

    а. Многофотолная ионизация

    Наибольший интерес представляет процесс многофотонной ионизации. Его теорию разработали Бебб и Голд , Фелпс , Бункин и Прохоров , Келдыш , Делоне , Гонтье и Траин и др. Согласно классификации Делоне, многофотонная ионизация во многих случаях является прямым, резонансным или многофотонным процессом высокого порядка. В общем случае энергия нескольких или даже 10-20 фотонов не равна точно энергии ионизации. Следовательно, взаимодействие этих фотонов с атомом не может быть резонансным. Вероятность ионизации атома в течение 1 с пропорциональна степени потока фотонов (где - кратность процесса ионизации):

    Здесь Пучок рубинового лазера с плотностью мощности эквивалентен потоку фотонов Величина называется эффективным поперечным сечением ионизации порядка. Например, энергия ионизации атома гелия равна 24,58 эВ; энергия одного кванта излучения рубинового лазера - лишь 1,78 эВ, следовательно только одновременное поглощение 14 квантов может обеспечить ионизацию атомов гелия. В табл. 28.2 приведены энергии ионизации некоторых атомов и молекул. Бебб и Голд рассчитали методом теории возмущений эффективные поперечные сечения для ионизации Не и Н; ионизация этих атомов требует одновременного поглощения 7, 8, 9, 13 и 14 квантов излучения рубинового лазера, соответственно. Простейшей аппроксимацией этого процесса является введение перехода дипольного типа и представление электрона, оторванного от атома, в виде плоской волны. Изложить здесь теорию Бебба и Голда невозможно ввиду ее громоздкого характера. Приведем лишь основные результаты работы , которые представлены в виде табл. 28.3. Как видно из таблицы, поперечные сечения многофотонной ионизации чрезвычайно малы. Однако следует помнить о том, что поток фотонов в

    Таблица 28.2 (см. скан) Энергии ионизации некоторых атомов и молекул

    Таблица 28.3 (см. скан) Эффективные поперечные сечения многофотонной ионизации и пороговые потоки фотонов, необходимые для инициирования пробоя и рассчитанные для плотности газа и воздействия лазерного импульса длительностью 10 нс на объем газа

    лазерном пучке может достигать весьма высоких значений. Экспериментальная проверка формулы (28.5) очень; проста. Отложив по осям координат получим прямую, наклон которой определяет

    Процесс многофотонной ионизации можно описать теоретически и без помощи теории возмущений и др.). В этом методе, который часто называют методом Рейсса, учитываются лишь два состояния электрона - начальное и конечное. Если под конечным состоянием понимать ионизованный атом, что соответствует изменению энергии электрона от определенного значения до континуума, можно рассчитать эффективные поперечные сечения многофотонной ионизации для многих водородоподобных атомов. Это облегчило расчет зависимости эффективных поперечных сечений от состояния поляризации света ( и др.), результаты которого нашли экспериментальное подтверждение в работах Кагана и др. , Фокса и др. и Сервенана и Айсенора . Теоретические расчеты показывают, что при вероятность ионизации атомов существенно зависит от состояния поляризации света. При более эффективен свет с круговой поляризацией, чем с линейной. При более эффективным становится свет с линейной поляризацией. Для иллюстрации на рис. 28.15 приведен график зависимости от порядка процесса (при ).

    Каган и др. наблюдали ионизацию паров цезия второй гармоникой рубинового лазера. Процесс был двухфотонным. Установлено, что эффективность ионизации излучением с круговой

    Рис. 28.15. Отношение эффективных поперечных сечений многофотонной ионизации для излучения с круговой и линейной поляризацией в зависимости от числа одновременно поглощаемых квантов излучения неодимового лазера .

    поляризацией была в раза выше, чем для линейно-поляризованного излучения. Вскоре Фокс и др. сообщили о трехфотонной ионизации атомов цезия пучком рубинового лазера, при которой свет с круговой поляризацией в два раза эффективнее, чем с линейной. Кроме того, расчеты без применения теории возмущений показали, что зависимость вероятности многофотонной ионизации от потока фотонов может иметь максимумы и минимумы. Особую роль в процессе многофотонной ионизации играет резонансный эффект. Он возникает, когда суммарная энергия нескольких фотонов точно равна энергии электрона в одном из возбужденных состояний. Таким образом, процесс ионизации может быть двухступенчатым. Вначале электрон переходит в возбужденное состояние, а затем полностью отрывается от атома. В исследования резонансных эффектов внесли значительный вклад Делоне и др. , Эванс и Тонеманн и Хелд и др. .