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2017年12月17日 星期日

丁酉(鸡)年十月三十

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  中性原子或分子失去电子成为正离子的过程。处于基态的中性原子(或分子)受到电子、正离子、其他原子碰撞或吸收光子而获得一定能量时,将跃迁到较高能态。这时原子被激发,称为受激原子。当原子获得更大能量时,可能有一个或多个电子脱离核的束缚成为自由电子,使原子(或分子)成为带正电荷的系统,称为正离子。这种过程称电离或离化。失去一个电子的原子称为一次离化原子,失去两个电子的原子称为二次离化原子……。当所有电子都失去时,原子被完全离化。速度不大的自由电子可能附着在某些中性原子上,这种有一个或多个附加电子的原子,称为负离子。正离子和负离子统称为离子。气体中大量原子被电离时,在外场作用下,正离子和自由电子将朝相反方向运动形成电流,气体因而失去绝缘特性,成为具有导电性的所谓电离气体。电离气体中带电粒子同原子、分子以及电磁场之间的复杂相互作用,使它成为一个内容丰富并有广泛技术应用的研究领域。
  从处于基态的自由原子或分子中移走价电子所需的最小能量,称为电离能Ee,其单位为eV(电子伏)。19024年德国物理学家P.勒纳用加速了的电子轰击原子,首次测量了原子的电离能。当加速电位差 V达到或超过某一阈值Vi时,就可观察到正离子流。这个电位差Ve就是原子电离能的测量值(Ee=iVi),称为电离电位,或电离阈值,其单位为 V(伏)。从原子或分子中移走第二个、第三个、……电子所需的能量称为第二、 第三、 ……电离电位(阈值)。还可以用光谱法、光致电离法等测量电离能。目前已精确测定了多数原子的电离能。图1显示了原子的电离能随原子序数 Z周期变化的情况。可见惰性气体原子的Ee值最大,碱金属的最小。Ee值的大小,反映了原子电离的难易程度。

原子和分子的电离

 
  根据原子或分子获得能量的不同方式,它们的电离主要有以下几种。
  电子碰撞电离 是气体最重要的电离过程。当入射电子同原子碰撞时,如果这种碰撞不足于引起原子内部势能发生变化,即激发或电离,这种碰撞称为弹性碰撞。由于原子质量比电子质量大很多,在碰撞过程中,电子传给原子的能量很少,原子的运动几乎不变,只是电子改变了运动方向。如果电子的动能足够大,导致原子激发或电离,这种碰撞称为非弹性碰撞(见电子同原子碰撞)。因此,为了使原子电离,电子至少应具有等于或大于原子电离能的能量,即EEe。然而由于碰撞时能量传递有一定的几率,并不是所有满足该条件的碰撞都能引起原子电离,所以导致电离的几率总小于1。一个入射电子,在单位长度的行程上同原子发生电离碰撞的次数与总碰撞次数之比称为电离几率。它由实验测得的电离截面来度量。测量方法是:测定碰撞产生的正离子流i+与入射的电子流i之比i+/i。而后由原子和分子的电离算出τe,式中n是气体原子的密度,τe为原子的电离截面,δl为入射电子通过气体中的一小段距离。图2中的曲线之一是电子同氦原子碰撞的电离截面同电子能量的关系。当电子能量EEi时一般不发生电离。但EEi时,τi迅速增长,在E≈100eV也就是数倍于Ee的地方达到极大值,然后单调地缓慢地减小。许多气体原子的情况也大体相同。

原子和分子的电离

  在气体放电中,特别是大电流密度时,出现大量受激原子,此时即使能量EEe的慢电子,只要它满足条件EEe-E原子和分子的电离,便能使受激原子电离,E原子和分子的电离是受激原子的激发能。这种通过两次电子碰撞逐级电离的过程称为双重电子碰撞电离,其电离截面比非受激原子要大得多。亚稳原子比其他受激原子有更长的寿命(见原子的亚稳态),因此具有更大的电离截面。
  重粒子碰撞电离 具有一定能量的重粒子(原子、分子、离子)之间发生碰撞时,其中之一或两者均可能被电离,打出一个或多个电子。通常称入射粒子自身的电离为剥离,以区别于靶粒子的电离。按照经典理论,当重粒子同原子发生非弹性碰撞时,重粒子最多只能将自身动能的一半转移给原子。因此,只要重粒子的动能E≥2Ee就应能把原子电离。然而,用正离子同原子碰撞的实验发现,只有当它的动能大大超过这个阈值时才出现明显的电离,而且其电离截面仍比电子碰撞的电离截面小得多。发生这种情况的原因在于:当正离子的动能与电子起电离作用的动能相当时,其速度事实上很小,所以它与原子相互作用的时间较长,原子在碰撞中受到的是一个缓慢变化的场的扰动,难于从中获得足够的能量,当正离子离开时,容易恢复到原来的状态,导致电离的几率因而很小。因此,在通常气体放电条件下,观察到正离子碰撞的电离作用很小。但是,当用高速重粒子(质子、氘核和α 粒子等)同原子碰撞时其电离作用则非常显著。如图 2所示,当质子的速度达到电子起电离作用的速度时,其电离截面甚至大于电子碰撞的电离截面。
  光致电离 当光子的能量hv等于或大于原子电离能Ee时,就产生光致电离。满足条件hv=Ee的频率称为阈频率ve,由电离条件可以算出各种原子和分子的阈频率和相应的阈波长λe。铯原子的电离能最低(约3.9eV),其阈波长为318.4nm。多数气体的阈波长在光谱的真空紫外区和X 射线区,金属蒸气的阈波长则大都在紫外区。可见光不可能使任何原子电离。光致电离产生的电子称为光电子。当hvEe时,多余的能量转变为光电子的动能。
  对多数原子来说,光致电离截面一般在hvEe处急剧上升,然后随光子能量增加而较快下降。氦原子的光致电离截面随光子能量变化所图2所示。
  用传统光源激励原子通常只观察到上述单光子电离。采用高强度的激光束,已观察到双光子电离,三光子电离,甚至更多光子的电离。在这些过程中,原子先吸收一个能量小于原子电离能的光子,到达受激态或虚态,在未返回基态以前,相继吸收第二、第三或更多光子,以致电离,这就是逐级电离过程。
  光致电离在大气物理、太阳物理、气体放电以及激光技术等领域有重要意义。
  亚稳原子碰撞电离(彭宁电离) 亚稳原子有很长的平均寿命(10-3 秒或更长)。在混合气体中,当一种气体的亚稳原子同另一种气体的原子或分子碰撞时,即使它们的动能较低,只要前者的激发能大于后者的电离能,后者将被电离,前者则返回基态。多余的能量就转变为电子的动能,或使离子激发。这种过程,称彭宁电离,或称彭宁效应。由于惰性气体的亚稳原子有较大的激发能,在含有惰性气体的混合气体放电中,彭宁电离比较有效。彭宁效应还可以使放电管的点火电压降低。
  自电离 原子受电子碰撞或吸收光子时可能有两个电子同时被激发,形成所谓双重激发原子,若它的总激发能大于原子的电离能,则一个电子可能返回基态,另一个电子将脱离原子成为自由电子。这种过程称为自电离。自由电子的动能等于总激发能与电离能之差;差值越小,发生这种过程的几率越大。相应的过程若发生在原子的内电子壳层则称为俄歇效应。
  参考书目
 H.S.W.Massey, Atomic and Molecular Collisions,Taylor & Francis, London, 1979.
 A. von Engel, Ionized Gases, Clarendon Press, Oxford,1965.

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更新时间 : 2009-01-06

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