Јонизација

Прва енергија јонизације неутралних атома.

Скица јонизацијске коморе.

Јонизацијска комора у дозиметру.

Гајгеров бројач.

Шематски приказ маглене коморе. Наглим помицањем клипа према доље, незасићена водена пара у комори постаје засићена, јер долази до наглог хлађења паре, а кондензација се у облику низа малих капљица догађа око јона које је начинио пролаз набијене честице.

Маглена комора с видљивим траговима јонизирајућег зрачења (кратки дебели трагови су алфа-честице, а дуги и танки трагови су бета-честице).

Комора са мехурићима.

Јонизација је процес у којем атом губи валентни електрон из своје последње електронске љуске. Пошто атом губи електрон, постаје позитивни јон (јер сад има више протона од електрона). Електрон који се ослободио из посљедње љуске се зове слободни електрон. Када слободни електрон изгуби дио енергије и дође у спољну електронску љуску неутралног атома, атом постаје електрично негативно набијен (јер сад има више електрона од протона) и постаје негативни јон. Као примјер, ознака за позитивни јон водоника је H⁺, а за негативни јон водоника H^-.

Јонизација је настајање наелектрисаних честица, јона, из неутралних атома или молекула. Јонизацију може изазвати друга електрично набијена честица (јон, електрон, позитрон, мезон, протон, алфа-честица, деутерон) која се креће кроз гасовиту, течну или чврсту материју, ако је кинетичка енергија честице довољно велика да у судару с неутралним атомима или молекулама избаци из њих електроне. Најмања за то потребна енергија је енергија јонизације (јонизацијски потенцијал), то јест енергија која је довољна да изоловани атом или молекул у гасовитом стању изгубе један електрон, при чему настаје јонски пар: позитивно набијени јон и избачени електрон. Енергија јонизације мера је способности неког хемијског елемента да улази у хемијске реакције уз стварање јона. Прва енергија јонизације односи се на губитак најслабије везаног електрона у неутралном атому, друга, већа енергија јонизације односи се на јонизацију тако насталог катјона и тако даље. Укупан број јонских парова насталих на јединици дужине уздуж пута честице назива се јонизацијска густина (специфична јонизација) и мери се најчешће у односу према јонизацијској густини у ваздуху. Она зависи од енергије, масе и набоја честице, за разлику од тоталне јонизације, то јест укупнога броја јонских парова насталих уздуж целе стазе честице, који зависи углавном само од енергије с којом је честица ушла у материју. Атоми или молекули могу јонизацијом да изгубе по један електрон или више њих, а избачени електрон може кратко време да остане слободан, може се везати уз неки неутрални атом или молекул и тако створити негативно набијен јон, или се пак спојити с неким позитивно набијеним јоном. Просечни пут који ослобођени електрон пређе пре него што се споји с другом честицом назива се средњи слободни пут и зависи углавном о притиска гаса и ступњу јонизације, то јест од односа између броја насталих јона и преосталих неутралних атома, односно молекула. Крећући се кроз средство, честица која узрокује јонизацију поступно губи енергију и коначно се може зауставити. У ваздуху при температури од 15 °C и притиску од 101 325 Pa утрошак енергије по настајању једног јонског пара износи око 32,5 eV и не зависи од узрочника јонизације.

Уз примарну јонизацију, коју директно узрокује честица, догађа се и секундарна јонизација, то јест процес настајања јона деловањем електрона и јона који су настали примарном јонизацијом, ако су приликом свог постанка добили довољно велику енергију. Неутралне честице, на пример неутрон или неутрални мезон, могу да узрокују само секундарну јонизацију, предајући или сву своју енергију или само њен део некој електрично набијеној честици, на пример протону.

Енергија јонизације

Енергија јонизације или јонизацијска енергија је енергија нужна да атом или молекула у гасовитом стању изгуби један електрон. Граф приказује колико она износи за неутралне атоме и може се уочити да се углавном најтеже бивају јонизовани племенити плинови. Међутим неки се молекули теже јонизирају него хелијум, на пример јонизацијска енергија кисеоника O₂ износи 50 eV, озона O₃ 11,7 eV, воде H₂O 12,6 eV. Избачени електрон може на кратко време остати слободан, може се везати уз неки неутрални атом или молекул и тако створити негативно набијен јон, или се спојити с неким позитивно набијеним јоном. Колико дуго ће електрон бити слободан зависи углавном од притиска гаса, темпераратуре и ступња јонизације, то јест од броја насталих јона и преосталих неутралних атома. Честица која узрокује јонизацију поступно, сваким сударом, губи кинетичку енергију. Секундарна јонизација је процес настајања јона деловањем електрона и јона који су настали примарном јонизацијом, ако су они приликом свог постанка добили довољно велику кинетичку енергију.

Узроци јонизације

Јонизацију може узроковати електромагнетно или честично зрачење довољно велике енергије (ултраљубичасто, рендгенско, гама-зрачење), било фотоелектричним учинком, тако да један од везаних електрона у атому преузме сву енергију кванта зрачења, било Комптоновим учинком, када електрон преузме само део те енергије. Јонизацију узрокује и јонизирајуће зрачење (радиоактивно зрачење).

Јонизацију може изазвати трење змеђу слојева материје. Тако настаје електрични набој облака.

Електричне варнице у гасовима такође се своде на јонизацију. Ако нема деловања електричног поља, јони створени у неком гасу брзо се рекомбинирају и гас се поновно враћа у неутрално стање. Међутим, ако се гас налази у електричном пољу, настали се јони крећу према електродама, и то негативно набијени према аноди, а позитивно набијени према катоди. На тај начин настаје струја јонизације. При малим притисцима и у довољно јаком електричном пољу настаје електрични избој. Због деловања поља тако створени јони, крећући се према електродама, добивају довољну енергију, па и они јонизују друге атоме и молекуле. Та се појава назива каскадни процес и узрок је јонизације већега дела гаса, што се очитује свјетлосним појавама, као у Круксовој цеви (Вилијам Крукс), а уз повећање притиска и напона, избијањем електричних искара или стварањем електричног лука.

Јони могу настати и због топлотног кретања атома и молекула при високим температурама, на пример у пламену. Тада атоми и молекули имају довољну кинетичку енергију да у међусобним сударима једни друге јонизују. При високој температури (10 000 К) настаје плазма, електрично проводна гасна смјеша која садржи знатну концентрацију катјона и електрона. Код врло високих температура, на пример код јаких електричних пражњења, стварају се двоструко или вишеструко јонизовани атоми и природна плазма. На екстремно високим температурама, као у унутрашњости звеезда, атоми могу изгубити све електроне. I део Земљине атмосфере (јоносфера) јонизован је због сталне апсорпције козмичког зрачења из свемира и Сунчевог ултраљубичастог зрачења.

Јонизација се одвија и у води и другим растварачима када се у њима растварају и с њима реагују такозвани потенцијални електролити, који се пре електролитске дисоцијације не састоје од јона. Тако на пример гас хлороводоник (HCl) у реакцији с водом даје хидронијум јон (H₃O⁺) и јон хлора (Cl^–).

Јонизација ваздуха

Због велике густине, електрицитет настоји да напусти електрични проводник на шиљцима. То се види на пример у експерименту када се стави на куглицу електроскопа шиљак и када се наелектрише. Може се видети да се листићи електроскопа брзо склапају. Узрок томе је јонизација ваздуха. Због велике закривљености шиљка готово се сав електрицитет скупља на врху, те у околини шиљка влада јако електрично поље. Како у ваздуху увек има позитивних и негативних честица, то јест јона, шиљак ће привлачити јоне супротног предзнака, те због постепене неутрализације настаје губитак електричног набоја. Јони, које је при том привукао шиљак, добивају велику брзину и сударају се на путу с неутралним молекулима ваздуха. Последица тих судара је настајање нових јона. Настајање јона због њиховог судара с неутралним молекулама ваздуха зове се јонизација сударом.

Мерни инструменти

На начелу јонизације заснивају се многи мерни инструменти у физици и хемији. Најпознатији су јонизацијска комора, Гајгер-Милерово бројило, Вилсонова комора, различити спектрометријски инструменти.

Јонизацијска комора

Главни чланак: Јонизацијска комора

Јонизацијска комора је уређај за проучавање јонизације гасова, откривање (детекцију) и мерење интензитета јонизирајућег зрачења. Главни су јој делови затворена цилиндрична комора, у којој се налази гас под одређеним притиском, и две електроде с различитим потенцијалима. То је један од првих детекора јонизирајућег зрачења чије се начело детекције заснива на сабирању јонских парова који настају у гасу у електричном пољу коморе. Проласком фотона или неке набијене честице довољне енергије кроз комору, јонизирају се или побуђују молекули гаса уздуж стазе честице. Јонизацијом неутралног молекула настају позитивни јон и слободни електрон, који се називају јонским паром. Из насталих јонских парова ствара се струјни сигнал, који се даље може обликовати и појачавати у излазни сигнал, сразмеран интензитету (броју честица и енергији) упадног зрачења. Јонски парови настају директним јонизирањем, али су могући и други процеси којима упадно зрачење губи енергију без стварања јона (процеси побуђивања молекула).

Гајгер-Милерово бројило

Главни чланак: Гајгеров бројач

Гајгер-Милеров бројач је направа за детекцију јонизирајућег зрачења, односно бројење проласка јонизирајућих честица или фотона. Најчешћа је изведба бројила у облику металне цеви или стаклене цеви с металном облогом, која уједно има улогу катоде. Анода је танка метална жица која пролази кроз осу цеви. Електроде су спојене на високи напон, а цев је испуњена смесом племенитог гаса (на пример аргона или неона). У тренутку када јонизирајућа честица или фотон у пролазу кроз бројило јонизује гас, продукти јонизације (позитивни јони и електрони) раздвајају се под деловањем електричног поља. Јони се убрзано крећу према катоди, а електрони према аноди и притом у гасу узрокују даљњу, лавинску јонизацију. Тиме се накратко затвара струјно коло и на отпорнику у вањскоме делу круга настаје напонски импулс. Ти се импулси одбројавају у електронском бројилу, које често има и мали звучник за звучну индикацију зрачења. У такозваном мртвом времену, док је гас јонизован, бројило не може да индицира ново зрачење. Стога се за прекидање (гашење) даљње јонизације и сталног избоја у цев додају и мале количине других гасова или пара. Важно својство бројила је делотворност, то јест однос броја индицираних и улазних честица или фотона. Гајгер-Милерово бројило може служити и за детекцију неутрона, премда они, електрички неутрални, не узрокују јонизацију. Међутим, неутрони могу узроковати секундарну јонизацију, и то ослобађањем алфа-честица у нуклеарној реакцији с елементом бором, па у ту сврху цев бројача треба да садржи гасовити бор трифлуорид.

Вилсонова комора

Главни чланак: Маглена комора

Вилсонова комора (по шкотском физичару Чарлс Томсон Рис Вилсону), први уређај којим се могла регистровати стаза набијених честица, посебно алфа-честица и електрона емитованих из радиоактивних материјала. У основи је то посуда испуњена смесом ваздуха и водене паре, у којој се брзим повећањем њене запремине помоћу покретне мембране и клипа, због пада притиска и температуре, постиже презасићеност ваздуха воденом паром, при чему долази до кондензације водене паре дуж стазе набијене честице. Проласком кроз комору, набијена честица изазива јонизацију молекула ваздуха, који тако постају средишта кондензације. На том основном начелу развијена је маглена комора (Патрик Блекет) и комора са мехурићима (Доналд А. Глејзер).

Здравље

Главни чланак: Мерне јединице јонизирајућег зрачења

Јонизирајућим зрачењем јонизује се и ткиво, пре свега вода као главни састојак ткива, при чему настају хемијски врло реактивни радикали, који узрокују озбиљна биолошка оштећења организма.

Литература

• Principles of Electric Circuits, , Thomas I. Floyd, Prentice Hall. (7th изд.). pp. 26. ISBN 978-0-13-098576-7. 
• Сцхулз, Мицхаел (2003). „Тхрее-Дименсионал Имагинг оф Атомиц Фоур-Бодy Процессес”. Натуре. 422 (6927): 48—51. Бибцоде:2003Натур.422...48С. ПМИД 12621427. С2ЦИД 4422064. дои:10.1038/натуре01415. хдл:11858/00-001М-0000-0011-8Ф36-А . 
• Гленн Ф Кнолл. Радиатион Детецтион анд Меасуремент, тхирд едитион 2000. Јохн Wилеy анд сонс, ISBN 0-471-07338-5
• Тодд, Ј. Ф. Ј. (1991). „Рецоммендатионс фор Номенцлатуре анд Сyмболисм фор Масс Спецтросцопy (инцлудинг ан аппендиx оф термс усед ин вацуум тецхнологy)(ИУПАЦ Рецоммендатионс 1991)”. Пуре Аппл. Цхем. 63 (10): 1541—1566. дои:10.1351/пац199163101541 . 
• ИУПАЦ. „ионизатион еффициенцy”. Компендијум хемијске терминологије (Интернет издање).

Спољашње везе

• NIST Chemistry WebBook
• Mass Spectrometry. Michigan State University.