Rieth József: Anyagvilág - Háttérismeret
Ionizáció
Tartalomjegyzékhez < Világképem < Sugárzás-időszak
Ionizációnak nevezzük azt a folyamatot, amikor egy atomból vagy molekulából elektromos töltéssel rendelkező ion keletkezik.
Az atomban az elektronok „elektronhéjakon” helyezkednek el. A külsőbb héjra csak akkor kerülhet elektron, ha a belsőbbek már telítettek. Ha valamilyen okból a külső héjról elektron távozik, az atom negatív töltéseinek száma csökken, miközben az atommag pozitív töltése változatlan marad; így az atom „kifelé” mutatott semlegessége megszűnik, és összességében pozitív töltésű lesz. Az ilyen, pozitív töltéssel bíró atomot pozitív ionnak vagy kationnak nevezik. Ha a külső héjra további elektron érkezik, az atom negatív töltéseinek száma nő, (miközben pozitív töltése változatlan), így az atom kifelé negatív töltést mutat, negatív ionná, anionná válik.
A gázokban – például a kozmikus sugárzás hatására – mindig vannak töltött részecskék. Ha ezekre erő hat, a pozitív és negatív töltésű részecskék ellentétes irányú mozgásba kezdenek. E pozitív és negatív töltésű részecskék vonzzák egymást, ezért egymással találkozva semleges részecskévé egyesülnek (rekombinálódnak), és a továbbiakban a villamos áramlásban nem vesznek részt. Így összességében elenyésző áram folyik.
A töltött részecskékre ható erőt növelve azonban azok sebessége megnő, így tehetetlenségüknél fogva a vonzóerő ellenére elhaladnak egymás mellett, a rekombinációk száma csökken, és az áram nő. A mozgatóerőt tovább növelve e részecskék annyira felgyorsulhatnak, hogy egy semleges molekulába ütközve azt elektronokra és pozitív ionokra robbanthatják szét (ütközéses ionizáció). Az így létrejött pozitív és negatív ionok szintén nagy sebességgel ellentétes irányba haladnak, és újabb ütközések révén további ionokat hoznak létre, emiatt a gázban a villamos áram megnövekszik.
Az ionképzést ionizációnak nevezik. Ionok képződhetnek atomok fénnyel vagy elektronokkal való bombázásakor, gázban keltett elektromos szikra hatására. Ionok vannak jelen az összes állati és növényi sejtben, s ott fontos szerepet játszanak, pl. az enzimek aktiválásában, az ozmózisegyensúly fenntartásában, az izom-összehúzódásban, az idegi ingerületvezetésben.
Két
vízmolakulából keletkezik egy hidroxid ion és egy oxónium ion. Ez a víz
autoprotolízise.
A víz esetében a hidrogén (oxónium)- és hidroxidionok koncentrációjának szorzata kb. 10-14 (szobahőmérsékleten), ebből következően bármely vizes oldat pH-értéke 1 és 14 között kell hogy legyen. A semleges kémhatású oldatok pH-értéke 7, 7 alatt az oldat savas, 7 felett lúgos kémhatású.
A víz autoprotolíziséből H2O+ H2O <-> H3O+ + OH- következően a tiszta víz is tartalmaz oxónium- és hidroxidionokat. Például 25°C-on:
[H3O+]=[OH-]=1x10-7 mol/dm3
Ezek koncentrációját a bevitt savak és bázisok megváltoztatják. A bevitt sav növeli az oxóniumion-koncentrációt, ezzel - a kémiai egyensúly törvénye miatt - csökkenti a víz autoprotolíziséből származó hidroxidion-koncentrációt. A bevitt bázis növeli a hidroxidion-koncentrációt, lúgos kémhatást okoz. Csökkenti a víz autoprotolízisét, és ezzel visszaszorítja az oxóniumionok koncentrációját. A 25°C-on fennálló összefüggés:
Kv= [H3O+].[OH-]= 1x10-14
Ionok képződése, vagyis elektronok leválasztása az atom elektronhéjából. Energiát elnyelő folyamat, amelynek eredménye az ionpár: egy ion és egy (esetleg több) elektron. Viszont az ion eltűnésekor, vagyis az ion és elektron egyesülésekor - ezt a folyamatot rekombinációnak nevezik az ionizációs energia felszabadul. Gáztérben elektromos kisülés hatására képződik ionizáció. A kisülés energiája származhat elektromos tér által felgyorsított elektronoktól és már kisülés nélküli állapotban jelen volt ionoktól, a gázteret érő sugárzástól, főképpen ultraibolya-, gamma- és röntgensugaraktól, esetleg magas hőmérséklettől is (termikus ionizáció). Az atom elektronhéjából egy elektron kiszakításához szükséges energia (elektronvolt egységben) az első ionizációs potenciál. A második, harmadik stb. elektron kiszakításához egyre nagyobb energiákra van szükség. Az ionizációs potenciálok az atomra jellemző állandók; így pl. a cézium első ionizációs energiája 3,89 V, a higanyé 10,43 V, a héliumé 24,48 V, az argoné 15,69 V, a xenoné 12,13 V. Az ionizáció lényeges szerepet játszik a gáztöltésű elektroncsövek működésében.
A föld felszíne közelében a levegő kismértékben ionizált; ionizációmentes gázt csak mesterségesen, ionizáló sugárzástól védett és radióaktív anyagokat nem tartalmazó térben lehet előállítani.
Folyadék vagy olvadék elektromos vezetését az oldott, ill. az olvadt anyag ionjainak az ellentett elektromos polaritású elektródhoz való vándorlása okozza. Ezért az ionos áramvezetés folyadékban anyagszállítással jár; a leválasztott anyagok a katódon és az anódon jelennek meg. E folyamat neve elektrolízis.
A gázok nem túl magas hőmérsékleten jó szigetelők, ugyanis semleges molekulákból állnak, melyek villamos tér hatására nem mozdulnak el. Azonban ha a gázokba töltéshordozókat juttatunk vagy a gáz molekuláit ionizáljuk, akkor a gáz vezetővé válik.
A vezetésben résztvevő töltéshordozók előállíthatók emisszióval vagy ionizációval.
Az emisszió során töltéshordozókat (általában elektronokat) juttatunk a gázba. Az ionizáció során magában a gázban keltünk szabad, elmozdulásra képes töltéshordozókat. Az ionizáció történhet pl. a gázok hőmérsékletének a megnövelésével, amikor is a közölt hőenergia a molekulák mozgási energiáját növeli, így megnő azok ütközési gyakorisága, ami az elektronok leszakadásához, ionizációhoz vezet. A másik lehetőség a különböző radioaktív sugárzások alkalmazása, amikor is a sugárzó anyag közöl elektromágneses energiát a gázmolekulákkal. A sugárzásokról részletesebben az előző oldalon volt szó.
Az ionizált gáz már vezeti az áramot. Ezt az áramvezetést gázkisülésnek nevezzük. Kétféle gázkisülés van, a nem önfenntartó és az önfenntartó gázkisülés.
Nem önfenntartó gázkisülés
Amennyiben az áramvezetés a töltéshordozókat előállító folyamat végén megszűnik, nem önfenntartó gázkisülésről van szó.
A következő ábrán egy ionizált gáz nem önfenntartó kisülésének áram-feszültség jelleggörbéjét láthatjuk.
Ionizált gáz nem önfenntartó kisülésének áram-feszültség jelleggörbéje
Az "A" jelzésű szakaszon az áram arányos a feszültséggel. Az ionizált gázban - a rendezetlen hőmozgással együtt járó ütközések következtében - az ionok egy része folyamatosan visszaalakul semleges molekulákká. Ezért az ionizáció során stacionárius állapotban az ionsűrűség közel állandó. A "B" jelzésű az ún. telítési szakasz. Nagyobb feszültségnél az összes keletkező ion (rekombináció nélkül) eléri az elektródokat, és - hacsak nem változik az ionizáció mértéke - az áram értéke nem nő tovább. A feszültség további növekedésének a következménye az ütközési ionizáció. Ennek mechanizmusa a következő: a nagy feszültség olyan mértékben gyorsítja fel a töltéshordozókat, hogy azok megnövekedett mozgási energiájuk révén ütközéskor képesek a gázmolekulákat ionizálni az így keletkezett töltéshordozók - ugyanezen mechanizmus révén - újabb töltéshordozók keletkezését váltják ki (gyakorlatilag az ütközési ionizációban a felgyorsult elektronok játsszák a döntő szerepet). A vezetésben résztvevő töltéshordozók száma tehát ugrásszerűen megnő. Ezt tükrözi a "C" szakaszon az áram növekvő jellege.
Önfenntartó gázkisülés
A
feszültség további növelésekor a gázkisülés önfenntartó kisülésbe mehet át.
Ez esetben külső ionizációs hatás nélkül fennmarad az áram, ugyanis a
feszültség már nem csak az elektronok energiáját növeli az ionizációhoz
szükséges szintre, hanem az energiafelvétel az ionok esetében is elegendő a
gázmolekulák - ütközés révén történő - ionizálásához és új elektronok
kiszabadításához.
A kisülési áramerősség nagyon nagy értékeket vehet fel a töltéshordozók lavinaszerű megsokszorozódása miatt.
A gázkisülés teljes jelleggörbéje
További adatok a gázkisülésekről:
A föld közelében lévő levegőben a kozmikus és a radioaktív sugárzás 10 ionpárt kelt másodpercenként és köbcentiméterenként. A különböző előjelű töltéssel rendelkező részecskék mozgékonysága a gázokban nem azonos: az elektronok mozgékonyabbak az ionoknál a negatív ionok mozgékonyabbak a pozitív ionoknál A két ütközés között megtett ún. szabad úthossz, melyen a töltéshordozó gyorsul, az elektronoknál hosszabb, mint az ionoknál, ezért az elektronok nagyobb sebességre ill. nagyobb mozgási energiára tesznek szert, mint az ionok. Normál állapotú levegőben az elektronok átlagos szabad úthossza kb. 6*10-8 m. A gázok vezetésénél észlelhető fényjelenségek azzal magyarázhatók, hogy a nagy energiájú ütközések miatt a gázmolekulák energiafelvétel révén ún. gerjesztett állapotba jutnak, majd fénykibocsátás mellett kerülnek vissza egy alacsonyabb energiájú szintre (erről is volt szó az előző oldalon). Az erősen ionizált és igen magas hőmérsékletű gázt plazmának nevezzük (a plazma hőmérséklete 4000-10000 K). A plazma villamos szempontból kvázi semleges, benne a pozitív és negatív töltések algebrai összege nulla.
Tartalomjegyzékhez < Világképem < Sugárzás-időszak
--------------
http://hu.wikipedia.org/wiki/Ioniz%C3%A1ci%C3%B3
http://www.vilaglex.hu/Lexikon/Html/Ionizaci.htm
http://www.free-energy.hu/pajert/index.htm?FoAblak=../pajert43/KSug_Gazkisul.html