Ιονισμός

Ιονισμός ονομάζεται η φυσική διεργασία ή φαινόμενο με την οποία ένα άτομο ή μόριο αποκτά θετικό ή αρνητικό ηλεκτρικό φορτίο χάνοντας ή κερδίζοντας ένα ή περισσότερα ηλεκτρόνια, συχνά σε συνδυασμό με άλλες, χημικές μεταβολές. Το προκύπτον ηλεκτρικώς φορτισμένο άτομο ή μόριο ονομάζεται ιόν. Η σε μεγάλο βαθμό ιονισμένη μακροσκοπική ύλη αποκαλείται πλάσμα. Το αντίθετο του ιονισμού είναι η επανασύνδεση ηλεκτρονίων και ιόντων.

Ο ιονισμός μπορεί να προκύψει εξαιτίας της απώλειας ενός ηλεκτρονίου μετά από μια επαρκώς σφοδρή σύγκρουση με υποατομικά σωματίδια, ή με άλλα άτομα, μόρια και ιόντα, ή και με αλληλεπίδραση με ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία αρκετά υψηλής ενέργειας ανά φωτόνιο (τέτοιες ακτινοβολίες αποκαλούνται εξ αυτού ιονίζουσες ακτινοβολίες). Η ετερόλυση και οι ετερολυτικές χημικές αντιδράσεις αντικαταστάσεως μπορούν επίσης να ιονίσουν, δηλαδή να προκαλέσουν ιονισμό, με τη δημιουργία ζευγών ιόντων. Ο ιονισμός μπορεί επιπλέον να συμβεί εξαιτίας της ραδιενεργού διασπάσεως δια της διαδικασίας της εσωτερικής μετατροπής, κατά την οποία ένας διεγερμένος πυρήνας μεταφέρει την ενέργειά του σε ένα από τα ηλεκτρόνια εσωτερικής στιβάδας, προκαλώντας τη διαφυγή του.

Χρήσεις

Καθημερινά παραδείγματα ιονισμού αερίων είναι ο ιονισμός στο εσωτερικό ενός λαμπτήρα φθορισμού ή άλλου λαμπτήρα ηλεκτρικής εκκενώσεως. Το φαινόμενο του ιονισμού αποτελεί επίσης την «καρδιά» των ανιχνευτών ραδιενέργειας, όπως του μετρητή Γκάιγκερ ή του θαλάμου ιονισμού. Ο ιονισμός χρησιμεύει επίσης σε μια ευρεία ποικιλία εξοπλισμού των βασικών επιστημών (π.χ. στον φασματογράφο μάζας) και της ιατρικής τεχνολογίας (π.χ. στην ακτινοθεραπεία).

Παραγωγή ιόντων

Αρνητικώς φορτισμένα ιόντα παράγονται όταν ένα ελεύθερο ηλεκτρόνιο συγκρούεται με ένα άτομο και ως επακόλουθο παγιδεύεται εντός του φραγμού ηλεκτρικού δυναμικού, απελευθερώνοντας την όποια περίσσεια ενέργειας που διαθέτει. Η διαδικασία αυτή είναι γνωστή ως ιονισμός δια της συλλήψεως ηλεκτρονίου.

Θετικώς φορτισμένα ιόντα παράγονται όταν μεταφέρεται μια ποσότητα ενέργειας σε ένα δέσμιο ηλεκτρόνιο εξαιτίας μιας συγκρούσεως με φορτισμένα σωματίδια (π.χ. ιόντα, ηλεκτρόνια ή ποζιτρόνια) ή με φωτόνια. Η ελάχιστη απαιτούμενη ποσότητα ενέργειας για να ιονισθεί το άτομο με τη διαφυγή του ηλεκτρονίου του ονομάζεται ενέργεια ιονισμού ή δυναμικό ιονισμού. Η μελέτη τέτοιων συγκρούσεων έχει θεμελιώδη σημασία στη μελέτη του προβλήματος των λίγων σωμάτων, ενός από τα μείζονα άλυτα προβλήματα στη μαθηματική φυσική: «Κινηματικώς πλήρη πειράματα», δηλαδή πειράματα στα οποία προσδιορίζονται τα πλήρη διανύσματα της ορμής όλων των θραυσμάτων μιας συγκρούσεως (του σκεδασμένου βλήματος», του ιόντος-στόχου και του ηλεκτρονίου που εκφεύγει από το άτομο) έχουν συνεισφέρει σε σημαντικές προόδους στη θεωρητική κατανόηση του προβλήματος των λίγων σωμάτων τις τελευταίες δεκαετίες.

Αδιαβατικός ιονισμός

Ο αδιαβατικός ιονισμός είναι ο ιονισμός στον οποίο ένα ηλεκτρόνιο απομακρύνεται από ή προστίθεται σε ένα άτομο ή μόριο που βρίσκεται στην κατάσταση χαμηλότερης ενέργειας, και δημιουργεί ένα ιόν που βρίσκεται επίσης στη χαμηλότερη ενεργειακή του κατάσταση.

Η εκκένωση Townsend αποτελεί ένα καλό παράδειγμα της δημιουργίας θετικών ιόντων και ελεύθερων ηλεκτρονίων εξαιτίας της προσκρούσεως ιόντων. Αφορά μια περιοχή του χώρου με επαρκώς έντονο ηλεκτρικό πεδίο και γεμάτη με αέριο που μπορεί να ιονισθεί, όπως είναι ο αέρας. Μετά από ένα αρχικό γεγονός ιονισμού, οφειλόμενο π.χ. σε ιονίζουσα ακτινοβολία, το θετικό ιόν και το ελεύθερο πλέον ηλεκτρόνιο επιταχύνονται προς αντίθετες κατευθύνσεις. Αν το ηλεκτρικό πεδίο εχει αρκετά υψηλή ένταση, τότε το ηλεκτρόνιο αποκτά αρκετά μεγάλη ενέργεια ώστε να ελευθερώσει ένα ακόμα ηλεκτρόνιο όταν συγκρουσθεί με ένα άλλο άτομο ή μόριο. Κατόπιν τα δύο ελεύθερο ηλεκτρόνια αποκτούν κινούμενα και πάλι επαρκή ενέργεια από το ηλεκτρικό πεδίο ώστε να προκαλέσουν ιονισμό συγκρουόμενα με περαιτέρω μόρια ή άτομα και ούτω καθεξής. Αυτό ισοδυναμεί με μία αλυσιδωτή αντίδραση παραγωγής ελεύθερων ηλεκτρονίων και εξαρτάται από το κατά πόσο τα ηλεκτρόνια αυτά αποκτούν αρκετή ενέργεια μεταξύ διαδοχικών συγκρούσεων ώστε να διατηρούν αυτή τη «χιονοστιβάδα».

Η απόδοση του ιονισμού είναι ο λόγος του αριθμού των ιόντων που σχηματίσθηκαν προς τον αριθμό των ηλεκτρονίων ή των φωτονίων που χρειάσθηκαν για τον σχηματισμό αυτόν.

Ενέργεια ιονισμού ατόμων

Οι ενέργειες ιονισμού των ουδέτερων στοιχείων (θεωρητικώς υπολογιζόμενες πέραν του ατομικού αριθμού 104)

Ο πίνακας της ενέργειας ιονισμού (ή «δυναμικού ιονισμού») των ατόμων χρησιμοποιείται όχι λίγες φορές ως επίδειξη της περιοδικής συμπεριφοράς των ατόμων ως προς τον ατομικό αριθμό τους, όπως αυτή συνοψίζεται με τη διάταξη των στοιχείων της ύλης στον περιοδικό πίνακα του Μεντελέγιεφ. Αυτό αποτελεί ένα πολύτιμο εργαλείο για την κατανόηση της διατάξεως των ηλεκτρονίων στα ατομικά τροχιακά χωρίς να υπεισέλθει κάποιος στις λεπτομέρειες των κυματοσυναρτήσεων ή της διαδικασίας του ιονισμού. Π.χ. η περιοδική απότομη μείωση στο δυναμικό ιονισμού μετά από τα άτομα των ευγενών αερίων υποδεικνύει την εμφάνιση μιας νέας στιβάδας στα αλκάλια. Επιπροσθέτως, τα τοπικά μέγιστα στο διάγραμμα της ενέργειας ιονισμού στην ίδια σειρά του περιοδικού πίνακα είναι ενδεικτικά των υποστιβάδων s, p, d και f.

Ημικλασική περιγραφή του ιονισμού

Η Κλασική Φυσική και το ατομικό μοντέλο του Bohr μπορούν να ερμηνεύσουν ποιοτικά τον φωτοϊονισμό και τον ιονισμό που προκαλείται από συγκρούσεις με σωματίδια ύλης. Σε αυτές τις περιπτώσεις η ενέργεια του ηλεκτρονίου υπερβαίνει το ενεργειακό «ύψος» του φράγματος δυναμικού που επιχειρεί να περάσει. Ωστόσο η ημικλασική περιγραφεί αδυνατεί να ερμηνεύσει τον ιονισμό σήραγγας, καθώς η διαδικασία του περιλαμβάνει τη διέλευση ηλεκτρονίου μέσα από ένα κλασικώς ανυπέρβλητο φράγμα δυναμικού.