2.2.7. Потенциал ионизации

Ионизацию можно рассматривать как крайний случай воз­буждения, когда электрону сообщается энергия большая, чем энергия самого высокого возбужденного уровня атома.

Чтобы вырвать электрон из атома (молекулы), нужно затратить энергию, равную энергии его связи в атоме. Эту энергию называ­ют потенциалом ионизации U_i,- и часто выражают в вольтах (точ­нее, в электронвольтах). Первый потенциал ионизации - потенци­ал ионизации, соответствующий удалению наиболее слабо связан­ного электрона из нейтрального невозбужденного атома; удале­нию из ионизованного атома следующих электронов соответству­ют второй, третий и т. д. потенциалы ионизации.

Значения первого потенциала ионизации U_i атомов некоторых элементов приведены ниже:

Атом Cs К Na Ca Fe Н О N Аг F Ne Не

Ui, эВ 3,9 4,3 5,11 6,08 7,83 13,53 13,56 14,5 15,6 18,6 21,5 24,6

2.2.8. Термическая ионизация

Неупругие соударения частиц между собой при высоких тем­пературе и плотности газа приводят к так называемой термической ионизации, которая возникает за счет кинетической энергии час­тиц. Наиболее вероятна следующая схема неупругого соударения быстрого электрона и атома:

Результатом неупругого соударения будет образование иона и двух электронов, обладающих малыми скоростями. Затем элек­троны снова начнут ускоряться электрическим полем.

Ионизация холодной плазмы осуществляется весьма неболь­шим числом высокоскоростных электронов, соответствующих «хвосту» максвелловского распределения. Поэтому неупругих столкновений в сварочном столбе дуги обычно значительно мень­ше, чем упругих.

Энергия ионизации, численно равная U_i зависит от строения атома, т. е. от его места в периодической системе элементов Мен­делеева (рис. 2.11). Потенциал ионизации U_i представляет собой периодическую функцию атомного номера элемента Z, и значения U_i снижаются с уменьшением номера группы и увеличением но­мера периода таблицы Менделеева. Наименьший потенциал иони­зации (U_i = 3,9 эВ) имеют пары цезия Cs. Единственный валент­ный электрон у щелочных металлов первой группы слабо связан с ядром, поэтому и энергия ионизации щелочных металлов невели­ка. Наивысший потенциал U_i =24,6 эВ наблюдается у самого лег­кого из инертных газов - гелия Не. Оболочка инертных газов за­полнена и поэтому наиболее прочна.

9. Фотоионизация

Атомы и молекулы могут возбуждаться не только при соуда­рениях между собой или с ионами и электронами, но и путем по­глощения квантов излучения, которые появляются в столбе дуги при рекомбинации других сильно возбужденных атомов. Условие фотоионизации выражается формулой

(2.27)

где h = 4,13∙10^-15 эВ∙с - постоянная Планка; v = c/λ_i – частота колебаний; с - скорость света; λ_i - длина волны электромагнитного излучения, способного вызвать ионизацию атомов, м. Из условия (2.27) получаем выражение для λ_i

(2.28)

Чем больше потенциал ионизации элемента U_i, тем меньше требуемая длина волны λ_i. Для сварочной дуги значения eU_i со­ставляют 4...25 эВ и соответствующие длины волн находятся в ультрафиолетовой части спектра. Например, для аргона eU_i = 15,7 эВ, λ_i = 1,24-10^-6 /15,7 = 7,85∙10^-2 мкм, а для щелочных металлов eU_i = 4...6 эВ; λ_i = 0,2...0,3 мкм.

Фотоионизация в плотной плазме, видимо, незначительна по сравнению с термической ионизацией, причем выделить их доли расчетным и опытным путем пока не удается.