Ионизация - Ionization


Из Википедии, свободной энциклопедии

Ионизация или ионизации , представляет собой процесс , посредством которого атом или молекула приобретает отрицательный или положительный заряд за счет получения или потери электронов , часто в сочетании с другими химическими изменениями. В результате чего электрически заряженный атом или молекула называется ионом . Ионизация может быть результатом потери электрона после столкновения с субатомных частиц , столкновений с другими атомами, молекулами и ионами, или через взаимодействие с электромагнитным излучением . Гетеролитическое расщепление связи и гетеролитические реакции замещения могут приводить к образованию ионных пар. Ионизация может происходить через радиоактивный распад с помощью внутренней конверсии процесса, в котором возбужденное ядро передает свою энергию одному из электронов внутренних оболочек , заставляя его быть извлечен.

Пользы

Ежедневно примеры ионизации газа таковы, что в люминесцентной лампе или других электрических разрядных ламп. Он также используется в радиационных детекторов , таких как счетчик Гейгера-Мюллера или ионизационной камеры . Процесс ионизации широко используется в различных оборудования в области фундаментальной науки (например, масс - спектрометрия ) и в промышленности (например, лучевой терапии ).

Производство ионов

Лавинный эффект между двумя электродами. Оригинальное событие ионизации высвобождает один электрон, и каждое последующее столкновение высвобождает еще один электрон, так что два электрона возникает из каждого столкновения: ионизирующий электрона и освобожденного электрона.

Отрицательно заряженные ионы образуются , когда свободный электрон сталкивается с атомом и впоследствии в ловушке внутри электрического потенциального барьера, выпуская любую лишнюю энергию. Процесс известен как захват электронов ионизация .

Положительно заряженные ионы образуются путем переноса некоторого количества энергии связанного электрона при столкновении с заряженными частицами (например , ионы, электроны или позитроны) или с фотонами. Пороговое количество необходимой энергии известно как потенциал ионизации . Изучение таких столкновений имеет принципиальное значение с точки зрения проблемы мало тела (см статью о системах малочастичных ), которая является одной из главных нерешенных проблем в физике. Кинематически полные эксперименты , то есть эксперименты , в которых полный вектор импульса всех фрагментов столкновений (рассеянном снаряда, при отдаче мишени-иона и вылетевшего электрона) определяются, способствовали значительному прогрессу в теоретическом понимании проблемы нескольких тел в былые времена.

Адиабатический ионизация является формой ионизации , в котором электрон удаляется из или добавлен к атому или молекуле в его самом низких энергетическом состоянии с образованием иона в самом низком энергетическом состоянии.

Разряда Таунсенд является хорошим примером создания положительных ионов и свободных электронов из - за ионный удар. Это реакция каскада с участием электронов в области с достаточно высоким электрическим полем в газовой среде , которые могут быть ионизированным, такими , как воздух . После оригинального события ионизации, из - за таких , как ионизирующее излучение, положительный ион дрейфует в направлении катода , в то время как свободный электрон дрейфует в направлении анода устройства. Если электрическое поле достаточно сильное, свободный электрон получает энергию , достаточную , чтобы освободить еще электрон , когда он рядом сталкивается с другой молекулой. Две свободные электроны затем двигаются по направлению к аноду и получить достаточную энергию от электрического поля , чтобы вызвать ударную ионизацию , когда происходят следующие столкновения; и так далее. Это фактически цепная реакция генерации электронов, и зависят от свободных электронов набирает достаточную энергию между столкновениями , чтобы выдержать лавину.

Ионизация эффективность представляет собой отношение числа ионов, образуемых число электронов или фотонов, используемые.

Энергия ионизации атомов

Энергия ионизации нейтральных элементов.

Тенденция в энергии ионизации атомов часто используется , чтобы продемонстрировать периодическое поведение атомов по отношению к атомному номеру, как представлено с помощью упорядочения атомов в таблице Менделеева . Это ценный инструмент для создания и понимания упорядочения электронов в атомных орбиталей , не вдаваясь в детали волновых функций или процесса ионизации. Пример представлен на рисунке 1 . Периодическое резкое уменьшение потенциала ионизации после атомов инертных газов, например, указывает на возникновение новой оболочки в щелочных металлов . Кроме того, локальные максимумы в энергии ионизации участка, двигаясь слева направо в строке, являются показателем с, р, д, и F суб-оболочек.

Пол-классическое описание ионизации

Классическая физика и модель Бора атома может качественно объяснить фотоионизации и столкновений опосредованного ионизации. В этих случаях, в процессе ионизации, энергия электрона превышает разность энергии потенциального барьера , который он пытается передать. Пол-классического описание, однако, не может описать туннельную ионизацию , так как процесс предполагает прохождение электрона через классический запрещенный потенциальный барьер.

Квантово-механическое описание ионизации

Взаимодействие атомов и молекул с достаточно сильными лазерными импульсами приводит к ионизации в однократно или многократно заряженных ионов. Скорость ионизации, т.е. вероятность ионизации в единицу времени, может быть вычислено только с помощью квантовой механики . В общем, аналитические решения не доступны, и приближение , необходимое для управляемых численных расчетов не дают достаточно точные результатов. Однако, когда интенсивность лазерного достаточно высока, подробная структура атома или молекулы могут быть проигнорированы и аналитическое решение для скорости ионизации возможно.

Туннель ионизации

Комбинированный потенциал атома и равномерного лазерное поле. На расстояниях г < г 0 , потенциал лазера можно пренебречь, в то время как на расстояниях , с г > г 0 потенциал кулоновского пренебрежимо мала по сравнению с потенциалом лазерного поля. Электрон выходит из - под барьером при г = R с . Е я это потенциал ионизации атома.

Туннель ионизации является ионизация за счет квантового туннелирования . В классической ионизации, электрон должен иметь достаточно энергии , чтобы сделать это через потенциальный барьер, но квантовое туннелирование позволяет электрон просто пройти через потенциальный барьер , а не пройдя весь путь над ним из - за волновой природы электрона. Вероятность туннелирования электрона через барьер падает экспоненциально с шириной потенциального барьера. Таким образом, электрон с большей энергией может сделать его дальше потенциальный барьер, в результате чего значительно более тонкий барьера для туннеля через и, таким образом, больше шансов сделать это. На практике туннельная ионизация наблюдается , когда атом или молекула взаимодействует с ближним инфракрасными сильными лазерными импульсами. Этот процесс может быть понято как процесс , с помощью которого ограниченный электронов, за счет поглощения более чем одного фотона из лазерного поля, ионизируется. Эта картина , как правило , известна как многофотонная ионизация (MPI).

Келдыш смоделирован процесс MPI как переход электрона из основного состояния атома к состояниям Волков. В этой модели возмущение состояния лазерного поля можно пренебречь и деталь атомной структуры при определении вероятности ионизации не будет принята во внимание. Основная трудность, связанные с моделью Келдыша была его пренебрежением эффектов кулоновского взаимодействия на конечном состоянии электрона. Как наблюдались из рисунка, поле Кулона не очень мало по величине по сравнению с потенциалом лазера на больших расстояниях от ядра. Это в отличие от приближения, сделанные пренебрегая потенциал лазера в области вблизи ядра. Переломы и др. включали в себя кулоновское взаимодействие на больших расстояниях между. Их модель (которую мы называем РРТ модель) была получена за короткий диапазон потенциалов и включает в себя эффект кулоновского взаимодействия на больших расстояниях через первую коррекцию порядка в квазиклассических действиях. Larochelle и др. сравнил теоретически предсказанной ион в сравнении с кривыми интенсивностью атомов инертных газов, взаимодействующих с Ti: Sapphire лазером с экспериментальным измерением. Они показали, что суммарная скорость ионизации предсказывает модель ППТ очень хорошо подходят экспериментальные ионные выходы для всех инертных газов в промежуточном режиме параметра Келдыша.

Скорость MPI на атоме с потенциалом ионизации в линейно поляризованном лазере с частотой задаются

где

  • является параметр адиабатичности в Келдыша,
  • ,
  • пик электрического поля лазера и
  • ,

Коэффициенты , и определяются

Коэффициент задается

где

Квазистатическая туннель ионизации

Квазистатическое туннелирование (ТПЗ) является ионизацией скорость которого может быть удовлетворительно предсказано моделью ADK, то есть предел модели РРТА , когда приближается к нулю. Скорость QST задается

По сравнению с отсутствием суммирования по п, которые представляют различные выше порога ионизации (ATI) пики, замечательно.

приближение сильного поля для скорости ионизации

Расчеты РРТОВ сделаны в E -калибровочного, а это означает , что поле лазера берутся в виде электромагнитных волн. Скорость ионизации также может быть вычислена в A -калибровочного, что упор природа частиц света (абсорбировать многократные фотоны при ионизации). Такой подход был принят модели Крайнов на основе более ранних работ Фейсала и Райса. В результате чего скорость задается

где, минимальное число фотонов , необходимых для ионизации атома, , ( это пондеромоторная энергия), является двойной функцией Бесселя, , где есть угол между импульсом электроном, р , а электрическое поле лазера, F , и символ FT обозначает трехмерное преобразование Фурье. Наконец, включает в себя коррекцию Кулона в модели SFA.

Атомный стабилизация / пленение населенностей

При вычислении скорости MPI атомов только переходы в континуум состояния рассматриваются. Такое приближение допустимо до тех пор , пока не существует многофотонный резонанса между состоянием и некоторыми возбужденными состояниями. Однако в реальной ситуации взаимодействия с импульсными лазерами, в ходе эволюции интенсивности лазерного излучения, из - за различный Старк сдвига основного и возбужденных состояний есть вероятность того, что некоторые возбужденные состояния перейти в многофотонном резонанс с состоянием. В одетом атоме картины, состояние одевает фотоны и резонансное состояние пройти квазипересечения по интенсивности резонанса . Минимальное расстояние, в то квазипересечения пропорционально обобщенная частота Раби, сочетание двух состояний. Согласно история и др., Вероятность остаться в состоянии, , задается

где есть разность энергий зависящих от времени между двумя одетыми состояниями. Во взаимодействии с коротким импульсом, если динамический резонанс достигается в нарастающем или падающей части импульса, население практически остается в основном состоянии и влияние многофотонных резонансов можно пренебречь. Тем не менее, если состояния идут на резонанс на пике импульса, где , то возбужденное состояние заселенным. После того , как заполняется, так как потенциал ионизации возбужденного состояния мал, то ожидается , что электрон будет мгновенно ионизируется.

В 1992 году де Бур и Мюллер показал, что атомы Xe, подвергнутые коротких лазерных импульсов может выжить в сильно возбужденных состояний 4f, 5f и 6f. Эти состояния, как полагают, были возбуждены за счет динамического сдвига Штарка уровней в многофотонного резонанса с полем во время восходящей части лазерного импульса. Последующая эволюция лазерного импульса не ионизируют полностью эти состояния, оставляя позади некоторых сильно возбужденных атомов. Мы будем называть это явление, как «население захвата».

Схематическое представление пленения населенностей типа лямбда. G есть основное состояние атома. 1 и 2 являются два вырожденными возбужденными состояниями. После того, как население переходит к состояниям за счетом многофотонного резонанса, эти состояния связаны через континуум с и населением в ловушке в суперпозиции этих состояний.

Отметим теоретический расчет, что происходит неполное ионизация всякий раз, когда существует параллельно резонансное возбуждение в общий уровень с ионизационных потерь. Рассмотрим состояние, такие как 6f Хе, которая состоит из 7 квази-degnerate уровней в диапазоне от лазерной полосы пропускания. Эти уровни вместе с континуумом образуют систему лямбды. Механизм типа лямбда-захвата схематически представлен на рис. В восходящей части импульса (а) возбужденное состояние (с двумя вырожденных уровнями 1 и 2) не в многофотонном резонансе с состоянием. Электронов ионизируется через многофотонную связь с континуумом. По мере того как интенсивность импульса увеличивается возбужденное состояние и континуум сдвинуты по энергии из-за сдвига Штарка. На пике импульса (б) возбужденные состояния идут в резонанс с многофотонным состоянием. По мере того как интенсивность начинает уменьшаться (с), два состояния связанно через континуум и население в ловушке в когерентной суперпозиции двух состояний. Под действием последующего одного и тот же импульса, из-за помехи в переходных амплитудах системы лямбды, поле не может ионизировать население полностью, и часть населения будет в ловушке в когерентной суперпозиции квази вырожденных уровней. Согласно этому объяснению состояния с более высоким угловым с более от импульса sublevels- будет иметь более высокую вероятность захвата населения. В общем случае сила захвата будет определяться силы два фотона связи между уровнями квазивырожденных через continuum.In 1996, с использованием очень стабильный лазер, и за счет минимизации маскирующих эффектов фокальной области расширения с увеличением интенсивности , Talebpour и др. наблюдаемые структуры на кривых однозарядных ионов Xe, Kr и Ar. Эти структуры были отнесены к захвату электронов в сильном лазерном поле. Более однозначная демонстрация пленения населенностей сообщалось Т. Моришите и CD Lin.

Непоследовательная многократная ионизация

Явление непоследовательной ионизации (NSI) атомы воздействия интенсивных лазерных полей были предметом многих теоретических и экспериментальных исследований с 1983 года Новаторской работа началась с наблюдением «колено» структура на Х 2+ ионного сигнала по сравнению с кривой интенсивности по Люлье и др. С экспериментальной точки зрения, двойная ионизация Н.С. относится к процессам , которые какой - то образом повысить скорость производства двукратно заряженных ионов огромного фактора при интенсивности ниже интенсивности насыщения однозарядных ионов. Многие из них , с другой стороны, предпочитают , чтобы определить NSI как процесс , с помощью которого два электрона ионизированных почти одновременно. Это определение подразумевает , что помимо последовательного канала есть еще один канал , который является основным вкладом в производство двукратно заряженные ионов при меньших интенсивностях. Первое наблюдение тройной НСИ в атмосфере аргона , взаимодействующее с 1  мкм лазером сообщает Аугст и соавт. Позже, систематически изучая НСИ всех атомов инертных газов, наблюдается четырехкратный НСИ Xe. Наиболее важный вывод этого исследования было наблюдение следующим соотношением между скоростью НСИ до любого состояния заряда и скорости туннельной ионизации (предсказанной по формуле ADK) в предыдущих состояний заряда;

где есть скорость квазистатического туннелирования i - го состояния заряда и некоторые константы , зависящие от длины волны лазера (но не на длительности импульса).

Две модели были предложены для объяснения непоследовательной ионизации; вытряхиваемая модель и модель электрона повторного рассеяния. Вытряхиваемый (SO) модель, впервые предложена Fittinghoff и др., Принимаются из области ионизации атомов с помощью рентгеновских лучей и электронных снарядов, где процесс SO является одним из основных механизмов, ответственных за многократную ионизацию атомов. Модель SO описывает процесс NS в качестве механизма, где один электрон ионизованного лазерного поля и уход этого электрона настолько быстро, что остальные электроны не имеют достаточно времени, чтобы приспособиться к новым энергетическим состояниям. Таким образом, существуют некоторая вероятность того, что после ионизации первого электрона, второй электрон возбуждается в состояние с более высокой энергией (встряска) или даже ионизированным (вытряхиваемым). Следует отметить, что до сих пор не было ни количественный расчет на основе модели SO, а модель по-прежнему качественно.

Модель электрона перерассеяния была независимо разработана Кучиевым, Schafer и др , Коркумом, Беккером и Фейсал и Фейсал и Беккером. Основные характеристики модели можно легко понять из версии Коркума в. Модель Коркума описывает ионизацию NS как процесс , при котором электрон туннель ионизированный. Электрон затем взаимодействует с полем лазерного , где она ускоряется от ядерного ядра. Если электрон был ионизируются при соответствующей фазе поля, она будет проходить по положению оставшегося иона половины цикла позже, где он может освободить дополнительный электрон электронного удара. Только половина времени электрона высвобождаются с соответствующей фазой , а другая половина никогда не вернется к ядерному ядру. Максимальная кинетическая энергия, возвращающийся электрон может иметь в 3,17 раза пондеромоторная потенциал ( ) лазера. Модель Коркум размещает отсечения предел минимальной интенсивности ( пропорциональна интенсивности) , где из - за ионизации для повторного рассеяния может произойти.

Диаграмма Фейнмана для процесса двойной ионизации в атоме через механизм повторного рассеяния

Модель повторного рассеяния в версии Кучиева (модель Кучиева в) является квантово-механической. Основная идея модели иллюстрируется диаграммами Фейнмана на рисунке а. Во-первых оба электрона находятся в основном состоянии атома. Линии отмечены а и б описывают соответствующие состояния атомов. Затем электрон-ионизируется. Начало процесса ионизации показано пересечения с наклонной пунктирной линией. где MPI происходит. Распространение ионизированного электрона в поле лазерного, в течение которого она поглощает другие фотоны (ATI), показано на полной толстой линии. Столкновение этого электрона с родительским атомным ионом показано вертикальной пунктирной линией, представляющей кулоновское взаимодействие между электронами. Состояние, отмеченное с описывает возбуждение иона к дискретному или непрерывному состоянию. Рисунок B описывает процесс обмена. модель Кучиев, в отличии от модели Коркума, в не предсказывает любую интенсивность порога для возникновения NS ионизации.

Kuciev не включают в себя эффекты кулоновских на динамику ионизованного электрона. Это привело к недооценке двойной скорости ионизации огромным фактором. Очевидно, что в подходе Беккер и Фейсал (что эквивалентно модели Кучиева в духе), этот недостаток не существует. На самом деле, их модель является более точной и не страдает от большого числа приближений, сделанных Кучиевыми. Их результаты расчетов вполне согласуется с экспериментальными результатами Walker и др. Беккер и Фейсал были в состоянии соответствовать экспериментальным результатам по многократным НСИ из атомов инертных газов с помощью своей модели. В результате, электрон повторно рассеяние может быть взято в качестве основного механизма для протекания процесса NSI.

Многофотонная ионизации внутренних валентных электронов и фрагментация многоатомных молекул

Ионизации внутренних электронов валентных ответственны за фрагментации многоатомных молекул в сильных лазерных полях. Согласно качественной модели диссоциация молекул происходит через трехступенчатый механизм:

  • MPI электронов из внутренних орбиталей молекулы, что приводит к молекулярному иону в ро-колебательных уровнях возбужденного электронного состояния;
  • Быстрый переход к безызлучательному высоколежащим ро-колебательным уровням нижнего электронного состояния; а также
  • После диссоциации иона различных фрагментов по различным каналам фрагментации.

Короткий импульс индуцированной молекулярной фрагментации может быть использован в качестве источника ионов для масс-спектрометрии высокого разрешения. Селективность обеспечивается с помощью источника на основе короткого импульса превосходит ожидаемые при использовании обычных источников на основе электронной ионизации, в частности, когда требуется идентификация оптических изомеров.

Крамерсов-Хеннебергера фазовые эффекты кадра и ионизации

Изучение сильного поля ионизации атома в так называемом крамерсы-Хеннебергер (КНО) кадр приводит к выводу о том, что эффективность ионизации сильно зависит от временных деталей ионизирующего импульса, но не обязательно от напряженности поля и полной энергии ионизирующего импульса перекачивается в атоме. Кадр крамерсов-Хеннебергер является не инерционными кадрами двигающихся со свободным электроном под действием гармонического лазерного импульса. Свободный электрон решение уравнений Ньютона для электрона в одном измерении в гармоническом лазерном поле

будет также гармонической

Кадр с сопутствующим этим электроном будет получен преобразованием координат

а добавленная кулоновский потенциал будет

Полный цикл среднего времени этого потенциала, который

будет даже функция и , следовательно , имеющий максимум в то время как для этого начального условия решения будет в KH , и это будет , следовательно , совпадает с раствором свободного электрона в лабораторной системе координат. Скорость электрона с другой стороны , сдвигается по фазе и напряженности поля и к положению электронов:

Таким образом, принимая во внимании вейвлета - импульсы и определении ионизации в качестве полного выхода из отрезка от длины 2га (или от сферической области в трех измерениях) полная ионизация происходит в классической модели после времени или нет ионизации вообще в зависимости , если гармоническое поле вейвлет разрезают на нулевой минимальной или максимальной скорости.

Диссоциация - различие

Вещество может диссоциировать без необходимости получения ионов. В качестве примера, молекулы сахара таблицы диссоциируют в воде (сахар растворяется) , но существуют в виде интактных нейтральных лиц. Другое тонкое событием является диссоциацией хлорида натрия (поваренная соль) на ионы натрия и хлора. Хотя это может показаться как случай ионизации, в действительности ионы уже существуют в кристаллической решетке. Когда соль диссоциируют, его ионы составляющие просто окружены молекулами воды и их эффекты видны (например , раствор становится электролитическим ). Однако, никакой передачи или смещение электронов не происходит. На самом деле, химический синтез соли включает ионизацию. Это химическая реакция.

Смотрите также

Фазовые переходы вещества ()

основной к
твердый жидкость газ плазма
От твердый плавление сублимация
жидкость Замораживание парообразование
газ отложение сгущение Ионизация
плазма рекомбинация

Рекомендации

внешняя ссылка