Атмосферні іони і іонізація в газах

Іонізація в газах

Суть іонізації полягає в поділі атома на позитивний іон і електрон. Більший інтерес для електроніки представляє іонізація газу, який знаходиться в електричному полі. Поняття іонізації газу є поява в газі заряджених частинок - молекул, які називаються газовими іонами, під впливом різних зовнішніх взаємодій. Найбільший вплив надають такі зовнішні агенти як рентгенівські промені, промені радію, сильне нагрівання газу.

Викликають іонізацію, наприклад прилади, які називаються ионизаторами.

Кількісною характеристикою іонізації є інтенсивність іонізації, яка вимірюється кількістю пар протилежних за знаком частинок, що виникають в одиниці об'єму газу за одиницю часу.

Механізм іонізації в газах полягає в наступному: нейтральні атоми і молекули містять однакову кількість позитивного електрики у вигляді центральних ядер і негативного - у вигляді електронів, що оточують ці ядра. Під впливом різних причин електрон може бути вирваний, і молекула, яка залишається, набуває позитивний заряд. А вирваний електрон не залишається вільним, він захоплюється однією або декількома нейтральними молекулами і повідомляє їм негативний заряд. У підсумку виходить пара протилежно заряджених іонів. Для того, щоб електрон відірвався від атома йому необхідно затратити певну енергію - енергію іонізації. Ця енергія різна для різних речовин і залежить від будови атома.

Кожен молекулярний іон, який утворився, притягує нейтральні молекули, і тим самим утворює цілий іонний комплекс. Іони протилежних знаків, при зіткненні один з одним, нейтралізують один одного, в результаті чого знову виходять вихідні нейтральні молекули -такий процес називається рекомбінацією. При рекомбінації електрона і позитивного іона вивільняється певна енергія, яка дорівнює енергії, витраченої на іонізацію.

Так що в стаціонарних умовах, в іонізованому газі кількість іонів визначається рухомим рівновагою між кількістю іонів, які доставляються іонізатором, і кількістю іонів, які зникають внаслідок рекомбінації.

Після того, як припиняється дія іонізатора кількість іонів в газі з плином часу стає все менше, і в кінці кінців практично зводиться до нуля. Це пояснюється тим, що електрони і іони беруть участь в тепловому русі і тому соударяются один з одним. В результаті зіткнення електрона і позитивного іона вони возз'єднуються в нейтральний атом. А коли стикаються позитивний і негативні іони, останній в свою чергу може віддати позитивного іону свій власний надлишковий електрон і обидва іона стануть нейтральними молекулами.

У природному стані гази не проводять електрики. Якщо помістити ізольоване заряджене тіло в сухий атмосферне повітря, наприклад заряджений електрометрії з гарною ізоляцією, то заряд електрометрії залишиться практично незмінним довгий період часу.

Для іонізації газів необхідні високі температури, наприклад, для водню цей показник становить 6000 К, такий тип іонізації газів поширений переважно в зірках.

У всіх до всілякого чтива своє ставлення. Будь-яку науково-технічну книгу або статтю я спочатку переглядаю на предмет: про що в ній, на якому рівні написано і чи варто дивитися ще раз. Вдруге звичайно шукається щось конкретне, тому Новомосковскются окремі місця. Втретє, якщо він настане - інші окремі місця. У мене є статті та книги, зачитані мною, як кажуть, до дірок. І, тим не менше, рідко яку роботу прочитуєш «від корки до корки». Тому не дивно, що в одній такій роботі (3) з уже відлетіли від частого вживання обкладинками на очі вперше попався абзац, в якому йдеться про наявність різниці між природними і штучно створеними іонами і робиться припущення про їх різному терапевтичному дії. Довелося докопуватися до суті процесів іонізації і вивчати фізико-хімічні особливості освіти і загибелі різних іонів.

Уявіть собі, начебто розібрався в цих тонкощах і хотів навіть запропонувати їх вашій увазі, але потім згадав безсмертні слова Козьми Пруткова про те, що «багато речей нам незрозумілі не тому, що вони є незрозумілими, а тому, що вони не входять в коло наших понять ». Якщо в поняття, наприклад, сліпого не входить поняття про колір, то йому не пояснити різниці між, наприклад, червоної і білої трояндами, як людині без нюху (а такі теж є) не пояснює різниці між запахами тієї ж троянди і сірководню.

Звичайно, серед Новомосковскющіх цю цидулку знайдуться і такі, для кого це звучить образливо, оскільки вони «і самі з вусами». Для них я в кінці дам посилання, де можна знайти вельми докладні відомості про те, що і як відбувається при іонізації повітря. Правда, повинен зробити застереження, що ця інформація досить «древня», оскільки в коло моїх інтересів і можливостей тепер не входить таке поняття, як відвідування наукових бібліотек, а книг на цю тему щось вельми давно не зустрічав у продажу. Тому не дивуйтеся примітивізму мого викладу. І ще одне. Оскільки я це пишу для того, щоб кілька підвищить рівень знань в області іонізації повітря людей, мало знайомих з цим явищем, то тим, у кого волосся випадає з голови, випирає надлишком знань, в тому числі і в цій області, не рекомендую затівати суперечку по викладеним мною питань. Не бачу сенсу вплутуватися в такий спір. Один мій добрий знайомий в таких випадках не сперечався, а говорив: «Ну і помирай дурнем».

У приземному шарі атмосфери, в якому ми з вами живемо, в природних умовах іонізація повітря проводиться залишковим радіоактивним випромінюванням землі і гірських порід, найчастіше продуктами розпаду радію, наприклад, радоном, що доходить до землі космічним випромінюванням, шляхом об'ємної фотоионизации повітря ультрафіолетовими променями, в тому числі і рентгенівськими променями, стеканием зарядів з гострих предметів, в тому числі і з голок хвойних дерев. Іноді перед грозою або в море на кораблях явище стікання зарядів видно неозброєним оком і отримало назву «Вогні святого Ельма». (1) У процесі іонізації беруть участь також грози, пожежі, розпорошуються струменя води, наприклад, водоспади. Основним і найбільш стабільним джерелом іонізації атмосферного повітря є все ж радіоактивне випромінювання землі і космічні промені, так як фотоионизация ультрафіолетовими променями Сонця відбувається тільки вдень, а інші явища відбуваються епізодично і не повсюдно.

Інтенсивність утворення іонів залежить перш за все від місця вимірювання, природних умов, часу доби та пори року, а також від температури і тиску повітря, швидкості вітру, опадів. А на спектр утворених іонів істотно впливає наявність домішок в повітрі, тобто забруднення повітря, туман, дощ, сніг. У досить сухому і чистому повітрі переважають легкі іони, а в забрудненому повітрі, при наявності опадів, туману кількість легких іонів може впасти до нуля, зате зросте кількість середніх і важких іонів (6). За усталеній серед фахівців думку терапевтичну цінність представляють легкі іони, а середні і важкі іони або даремні, або, в деяких умовах, шкідливі (3).

Сам процес іонізації досить складний, щоб забивати цими відомостями ваші мізки. При іонізації паралельно йде кілька процесів:

безпосереднє утворення пар іонів за рахунок того, що іонізуюча частка або гамма-квант зриває з зовнішньої орбіти нейтральної молекули електрон, створюючи таким чином позитивний іон, а відірваний електрон тут же прилипає до першої ж молекулі, з якої він зіткнеться, і або утворює негативний іон , або нейтралізує заряд, якщо молекула позитивно заряджена (5);
збудження молекул без утворення іонів, при якому якийсь електрон, може бути і не один, виштовхується на більш високу орбіту, але не відривається; зустріч двох таких молекул призводить до того, що вони весь запас своєї енергії вкладають в «стусан» одному з електронів на зовнішній орбіті, повертаючи за рахунок цього свої збуджені електрони на колишні орбіти і перетворюючись в позитивний іон, а електрон, який «випіннулі», почне передавати при зіткненнях з іншими молекулами частину своєї енергії цих молекул, створюючи тим самим іноді дуже велика кількість пар іонів, поки, розгубивши всю енергію, остаточно не прилипне до будь-якої нейтральної молекулі, створивши тим самим ще оди н, але вже негативний іон (1);
дисоціація молекул, при якій молекули розбиваються на різнополярні іони атомів або осколків молекули, які потім можуть возз'єднатися з подібною відірваної частини іншої часткою і нейтралізуватися, або вступити в реакцію з будь-якої нейтральної молекулою і утворити іон нового речовини - подібним чином виникають молекули озону, оксидів азоту і так званий оксоніум (в перекладі - іон) - це молекула води, до якої пристав позитивно заряджений протон водню, у якого здерли з орбіти єдиний електрон (1);
перезаряд іонів при зустрічі іона якоїсь речовини з нейтральною молекулою, що має більш низький потенціал іонізації, в результаті чого нейтральна молекула стане іоном, а іон перетвориться в нейтральну молекулу (5).

Всі ці іони називаються первинними, так як вони представляють собою заряджені атоми або молекули і живуть в такому стані не більше 10 -7 секунди, тобто одну десятимільйонну долю секунди (5).

Після описаної стадії утворення первинних іонів починається справжнє життя легких іонів, яка триває, як правило, від 10 -7 секунди до 100, а іноді і більше секунд. В цей час первинні іони, стикаючись з нейтральними молекулами різних газів, здатних хоч трохи поляризуватися (найбільшою поляризуемостью володіють молекули води і вуглекислого газу, а найменшою - молекули кисню і інертних газів), утримують їх навколо себе деякий час (від 10 -6 секунди для звичайних газів до 10 -4 секунди для вуглекислого газу і до 10 -3 секунди - для води). У позитивного іона заряд у вигляді протона розташований в центрі іона. Навколо такого іона постійно в зіткненні знаходиться від 13 до 20 молекул (в сухому повітрі) і від 11 до 15 молекул (у вологому повітрі). І вся ця штука виглядає у вигляді кулі, у якого нейтральні молекули, що обліпили іон, безперервно змінюються іншими сусідніми молекулами при русі іона. Негативний іон має на своїй зовнішній орбіті зайвий електрон, і до нього спочатку намертво прилипає будь-яка поляризована молекула, а потім навколо цих двох молекул збираються у вигляді тора (кільця) 6-8 нейтральних молекул (в сухому повітрі) або 5-7 молекул (у вологому повітрі). Ці всі молекули весь час стикаються з негативним іоном і так само безперервно замінюються іншими нейтральними молекулами (5). Під час цієї «справжньої» життя вторинні іони потрапляють насамперед під дію електричного поля землі, утвореного негативним зарядом землі. Прийнято вважати, що у поверхні землі напруженість цього поля в середньому дорівнює 130 Вольт / метр, хоча насправді вона має великий розкид в залежності від місця вимірювання. Так в Павловську (Слуцьку) під С.-Петербургом і в Вашингтоні вона дорівнює 179 В / м, Давосі (США) вона дорівнює 64 В / м, на станції КЬЮ (не знаю, де вона) має намір 317 В / м.

З ростом висоти над рівнем землі напруженість поля падає (1). Під дією цього електричного поля позитивні іони рухаються до землі, а негативні іони - в верхні шари атмосфери. Тому у землі позитивних іонів майже завжди трохи більше, ніж негативних, а в верхніх шарах атмосфери - навпаки. Всякі вітри і завихрення повітря теж переміщують іони своїми потоками. І, нарешті, безперервно йде процес рекомбінації іонів, тобто нейтралізація зарядів двох зустрілися різно полярних іонів (2). Встановлено, що найбільш стійкими в сенсі сталості зовнішньої оболонки є іони оксоніума H3 O + в оточенні молекул води, які через наявність сил поляризації не розлучаються з улюбленим іоном до самої його смерті, тобто нейтралізації його заряду іоном іншої полярності. Серед негативних іонів таких «міцненьких» іонів виявлено не було (5). Правда, це відомості приблизно тридцятирічної давності, може за цей час хтось щось і відкрив. Якщо кому-небудь з вас відомо про це, поділіться новиною.

В ході такої «життя» і таких масових зіткнень з іншими молекулами кожен «живий» іон, якщо він не рекомбинированного, зустрічається або з великим конгломератом молекул, які не мають заряду, або з твердої мікрочастинок - виваженим в повітрі ядром конденсації - і привіт! Іон прилипає до такої частки, і, в залежності від маси частинки, перетворює її або в середній, або в важкий, або в надважкий іон (5). Усе! Це смерть легкого іона. У середніх і важких іонів своє життя і своя смерть. У терапевтичному сенсі вони не уявляють для нас інтересу. До того ж, електричне поле землі очищає повітря від таких заряджених частинок, забираючи собі позитивно заряджені частинки і відсилаючи вгору негативно заряджені, де вони стають ядрами конденсації води і разом з дощами падають, знову ж таки, на землю. накопичуватися десь в приземному шарі таким іонів не вдається - і добре.

Найсимпатичніші спектрограми у іонізаторів на базі альфа- або бета-активних препаратів [в статті описано використання, відповідно, Ро210 (полоній 210) і H3 (Т3 або тритій)]. Ці спектрограми ідентичні природним. Такими штуками я теж колись займався, але з використанням інших ізотопів. На жаль, ні в побуті, ні на виробництві їх застосовувати не можна - техніка безпеки при поводженні з будь-якими радіоактивними ізотопами не допускає вільного з ними звернення як при використанні, так і при збереженні від руйнування і при утилізації. Те ж саме відноситься до джерел гамма-випромінювання, та й спектрограмма у них гірше.

Дуже симпатична спектрограмма при використанні рентгенівського випромінювання, але, самі розумієте, рентген - це те ж, що і гамма-випромінювання, можна заробити і лейкемію, і рак. Ніхто таких іонізаторів ніде не застосовує.

Ультрафіолетові лампи дають, в основному, тільки негативні іони і то за рахунок вторинного випромінювання від домішок в повітрі і різних предметів, так як досліджені УФ-промені самі іонізацію не виробляють, але зате в достатку створюють озон. Хто в клініках був під опроміненням УФ-ламп, той повинен пам'ятати неприємний запах озону, який за вагою ядовитее синильної кислоти. Для іонізаторів УФ-лампи неспроможні!

При біполярної іонізації коронним розрядом спектрограмма цілком пристойна, але тут треба розрізняти, за допомогою якої напруги виробляється іонізація. При використанні високовольтного постійної напруги рясно створюється озон і оксиди азоту, те ж саме відбувається при використанні пульсуючого напруги після однополупериодного випрямлення змінної напруги. Це було помічено ще в п'ятдесяті роки і тоді ж стали застосовувати, точніше - запропонували застосовувати, короткі високовольтні імпульси, несиметричні по амплітуді або однополярні. Але поширення набули все ж іонізатори уніполярні, тобто дають іони тільки однієї полярності, зазвичай - негативною. А оскільки всі іони, як природного, так і штучного походження, живуть за одними законами, то при уніполярної іонізації через відсутність процесів рекомбінації все іони однієї полярності доживають до стадії перетворення в важкі іони, накопичуються в різних місцях, створюючи електростатичні поля, об'ємні заряди. Якщо коротше, то уніполярні іонізатори будь-якого типу, навіть «люстри» і «псевдолюстри» Чижевського, придатні лише для короткочасного застосування протягом 10-20 хвилин - не більше. А ось грамотних біполярних коронних іонізаторів повітря поки що замало.

Нитка розжарення створює тільки позитивні іони за рахунок іонної емісії, так як для отримання електронної емісії дріт треба розжарювати до сказу. Коротше, енергії витрачається багато, а толку мало, та й небезпечно, і нитка швидко згорить.

При горінні светильного газу і газу в плитці на кухні виходять іони обох знаків, але зовсім не тією, що треба, рухливості, так як вони утворені з продуктів згоряння газу.

При розбризкуванні (барботаже) води кількість легких іонів незначно, зате кількість середніх і важких іонів величезна. При цьому, негативних іонів дещо більше, ніж позитивних.

А тепер невеликі висновки.

При штучної іонізації повітря можливе отримання іонного складу повітря, близької до природного складу, якщо в повітрі немає шкідливих домішок.
Там, де є відповідні служби, найкраще використовувати іонізатори повітря на базі альфа- або бета-активних ізотопів. Найкраще для цих цілей підходять ізотопи тритію, вуглецю-14, нікелю-63 - вони прийнятні за ціною і досить безпечні.
Широкого застосування, в тому числі і в побуті, заслуговують тільки біполярні коронні іонізатори повітря, в яких використовуються короткі імпульси, як правило, керовані по частоті і тривалості. Використання таких іонізаторів дозволяє отримати потрібну якість іонного складу повітря, близьке до природного, з таким же терапевтичною дією.