Jonizacja termiczna - Polski Serwis Naukowy

Jonizacja termiczna - zjawisko jonizacji wywołanej ruchem cieplnym i zderzeniami cząsteczek substancji. Termin odnosi się do dwóch zjawisk:

jonizacji termicznej w gazach, inaczej termojonizacja;
jonizacji powierzchniowej wywołanej parowaniem jonów.

Jonizacja termiczna w gazach

Jonizacja termiczna w gazach to jonizacja spowodowana zderzeniem cząsteczek. Zachodzi ona wówczas, gdy łączna energia obu cząsteczek jest co najmniej równa energii jonizacji. Prawdopodobieństwo zajścia tego rodzaju jonizacji zależy silnie od temperatury. Zgodnie z teorią kinetyczną gazów, rozkład Maxwella określa prawdopodobieństwo, że cząsteczka będzie miała określoną prędkość, a zatem i energię kinetyczną. Rozkład ten jest asymetryczny, silnie wydłużony w kierunku większych energii. Wynika stąd, że w dowolnej temperaturze istnieje niezerowe prawdopodobieństwo znalezienia cząsteczek o takich energiach, że cząsteczki te będą zdolne do jonizacji. Dlatego w gazie, nawet całkowicie odizolowanym od promieniowania jonizującego, zawsze istnieje pewna ilość jonów. Prawdopodobieństwo zajścia jonizacji termicznej rośnie wraz z temperaturą, a w temperaturze rzędu milionów kelwinów zbliża się do wartości 1. Gaz osiąga wówczas stan plazmy, czyli całkowitej jonizacji. Jest to tak zwana gorąca plazma. Znaczący wkład jonizacji termicznej do jonizacji całkowitej zaczyna pojawić się temperaturze rzędu tysięcy kelwinów. Na przykład w temperaturze 2500 K liczba cząsteczek o energii kinetycznej 10 eV wynosi ok. 5%. Taka energia, dodana do energii drugiej cząsteczki, wystarcza do jonizacji atomów większości substancji (zobacz wykres w Energia jonizacji).

Temperatura – jedna z podstawowych ) w termodynamice, będąca miarą stopnia nagrzania ciał. Temperaturę można ściśle zdefiniować tylko dla stanów równowagi termodynamicznej, bowiem z termodynamicznego punktu widzenia jest ona wielkością reprezentującą wspólną własność dwóch układów pozostających w równowadze ze sobą. Temperatura jest związana ze średnią energią kinetyczną ruchu i drgań wszystkich cząsteczek tworzących dany układ i jest miarą tej energii.

Kelwin – jednostka temperatury w układzie SI równa 1/273,16 temperatury termodynamicznej punktu potrójnego wody, oznaczana K. Definicja ta odnosi się do wody o następującym składzie izotopowym: 0,00015576 mola 2H na jeden mol 1H, 0,0003799 mola 17O na jeden mol 16O i 0,0020052 mola 18O na jeden mol 16O[1].

Jonizacja termiczna jest istotnym mechanizmem jonizacji zachodzącym w atmosferach gwiazd (również Słońca).

Zależność stopnia jonizacji od temperatury, gęstości, gazu i energii jonizacji podaje wzór Sahy.

Jonizacja powierzchniowa

Termiczna jonizacja powierzchniowa jest to zjawisko jonizacji zachodzącej na powierzchni parującego materiału. Jest ona wykorzystywana w spektroskopii masowej. Próbka umieszczana jest w łódce wykonanej z trudnotopliwego metalu. Po przepuszczeniu prądu przez łódkę, badany materiał nagrzewa się i odparowuje. Część parujących atomów ulega przy tym jonizacji, co umożliwia ich badanie w polu elektrycznym. Wydajność tego procesu określa wzór na liczbę jonów

Rozkład Maxwella – równanie określające, jaka część ogólnej liczby cząsteczek gazu doskonałego porusza się w danej temperaturze z określoną prędkością przy założeniu równowagi termicznej tego gazu. Zależność ta ma charakter gęstości prawdopodobieństwa. Rozkład ten ma postać

Plazma – zjonizowana materia o stanie skupienia przypominającym gaz, złożona zarówno z cząstek naładowanych elektrycznie, jak i obojętnych. Mimo że plazma zawiera swobodne cząstki naładowane, to w skali makroskopowej jest elektrycznie obojętna.

$N\sim N_{0}\exp \left( \frac{W-E_{j}}{kT} \right)$

gdzie N0 - liczba wszystkich atomów odparowywanej substancji W - praca wyjścia; Ej - energia jonizacji; T - temperatura; k - stała Boltzmana.

Zobacz też

energia jonizacji

gaz doskonały

rozkład Maxwella-Boltzmanna

Źródła

Ilustrowana encyklopedia dla wszystkich. Fizyka, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa 1991, wyd.3, ISBN 83-204-1192-0

Energią jonizacji Ej pierwiastka nazywa się minimum energii, jaką należy użyć, by oderwać elektron od atomu tego pierwiastka w stanie gazowym. Energia jonizacji obojętnych atomów zależy od liczby atomowej i waha się w granicach od kilku do dwudziestu kilku eV. Jest ona równa energii najsłabiej związanego elektronu walencyjnego. Z rysunku widać, że największą energię jonizacji mają neutralne atomy gazów szlachetnych, co jest związane z faktem, że pierwiastki te mają zapełnione powłoki walencyjne. Najniższą energię jonizacji mają pierwiastki z pierwszej grupy układu okresowego posiadające na powłoce walencyjnej jeden elektron.

Elektronowolt (eV) – jednostka energii stosowana w fizyce. Jeden elektronowolt jest to energia, jaką uzyskuje elektron, który jest przyspieszany napięciem równym 1 woltowi: