Aatomite ergastamine ja ionisatsioon elektriväljas

Aatomite ergastamine ja ionisatsioon elektriväljas on seotud aatomite omavaheliste kokkupõrgetega soojusliikumise või elektrivälja toimel, mille käigus üle kanduv energia kutsub esile aatomite ergastust või ionisatsiooni. Nähtus on oluline plasmafüüsikas ja seda uuritakse seoses magnetilise sulustamisega. Kuna looduses on alati temperatuur suurem kui absoluutne null, siis on kõik osakesed kaootilises soojusliikumises ja seega on seda ka gaasiosakesed. Kui gaas on elektriväljas ja seal leidub laetud osakesi, siis lisandub soojusliikumisele ka laetud osakeste (ioonid ja elektronid) suunatud liikumine ehk triiv. Liikumise käigus leiavad gaasis aset neutraalsete ja laetud osakeste vahelised elastsed ja mitteelastsed põrked, mille tagajärjel toimub energia ülekanne. Juhul kui ülekandunud energia on piisavalt suur, võib neutraalne aatom ergastuda või ioniseeruda, mis omakorda võib sobivates tingimustes vallanduda ka laviinina. Gaasis on osakesed pidevas liikumises, mis paratamatult tingib nende põrkumise. Selle, kas kahe osakese vahel toimub põrge või mitte, määrab ära põrke ristlõige. Kui elektriväljas põrkuvad omavahel elektron ja ioon, siis olenevalt energia ülekandest võib põrget liigitada elastseks või mitteelastseks. Joonisel 1 on ära toodud elektroni energeetiline käik elektriväljas. Elektriväli põhjustab elektroni kineetilise energia kasvu, millest osa antakse ära elastsel põrkel. Protsess jätkub kuni hetkeni, mil elektroni energia on piisavalt suur, et saaks toimuda mitteelastne põrge näiteks aatomiga, mille tagajärjel kaotab elektron suure osa oma energiast . Elastse põrke korral kehade summaarne kineetiline energia ei muutu, muutub aga osakeste liikumise suund. Näiteks kui omavahel põrkuvad elektron (joonis 2), mille kiirus enne põrget on vi ja aatom, siis pärast elastset põrget on elektroni liikumistee suund (algse suhtes) muutunud nurga θ võrra ning tema liikumise kiirus on vf. Enne ja pärast põrget on elektroni kiiruste väärtused ligikaudu võrdsed. v f ≈ v i {\displaystyle v_{f}\approx v_{i}} . Saab näidata, et elastsel põrkel on elektroni energia muutus ajaühikus : d ϵ d t = − m 2 M ϵ ν m {\displaystyle {\frac {d\epsilon }{dt}}=-{\frac {m}{2M}}\epsilon \nu _{m}} . Efektiivne põrke sagedus : ν m = ( 1 − ⟨ c o s ( θ ) ⟩ ) ν {\displaystyle \nu _{m}=(1-\left\langle cos(\theta )\right\rangle )\nu } . dε/dt – elektroni energiakadu ajaühikus M – aatomi mass m – elektroni mass ε – elektroni keskmine energia νm – efektiivne põrkesagedus ν – põrkesagedus θ – nurk kiiruste vektorite vahel enne ja pärast põrget (nurk v ja vf vahel) Mitteelastse põrke korral muundub osa summaarsest kineetilisest energiast kehade siseenergiaks, mille tulemusena aatom võib ergastuda või ioniseeruda. Kui elektriväljas on laengukandjate energia piisavalt suur, siis mitteelastsel põrkel ühelt kehalt teisele (nt elektronilt aatomile) ülekantav energia võimaldab aatomit ergastada. Näiteks He aatomi ergastamisel He*-ks liigub aatomi tuuma ümber tiirlev elektron madalama energiaga nivoolt kõrgema energiaga nivoole. e– + He → He* + e– 1914. aastal viisid James Franck ja Gustav Hertz läbi katse, millega demonstreeriti elavhõbeda aatomis ergastatud seisundite olemasolu ja ühtlasi näidati, et aatomis on elektroni energia kvantiseeritud. Katseseade (joonis 3) koosnes kuumutatud katoodist, võrest ja kogujaplaadist, mis olid paigutatud elavhõbeda aurudega täidetud klaasanumasse. Katse käigus emiteerusid (eraldusid) katoodilt elektronid, mis kiirendati positiivselt laetud võreni ja sealt edasi võre suhtes väikse negatiivse pingega kogujaplaadini. Eksperimendi tulemust kirjeldab joonis 4, kus x-teljele on kantud kiirendava pinge väärtused ja y-teljele voolutugevus. Kiirendades antud katseseadmes (joonis 3) elektrone, kasvab pinge suurendades ioniseerivate elektronide kineetiline energia ja voolutugevus. Kuni kiirendava pingeni 4,9 volti toimuvad elektronide ja elavhõbeda aatomite vahel elastsed põrked ja voolutugevus kasvab. Kui pinge jõuab (antud eksperimendi puhul) 4,9 voldini, siis on elektronide energia piisav, et elavhõbeda aatomeid ergastada. Kuna elektronid kaotavad suure osa oma energiast mitteelastsetel põrketel, siis ei jõua enamus neist enam kogujaplaadini ning toimub järsk voolutugevuse langus. Pinget edasi tõstes kiirendatakse taas mitteelastsel põrkel energia kaotanud elektronid ning voolutugevus hakkab uuesti kasvama kuni jõutakse 9,8 voldini, mil toimub uus voolutugevuse järsk langus. Kui aatomi elektron saab põrkel piisavalt energiat, siis elektron lahkub aatomist ja toimub nn löök- ehk põrkeionisatsioon (ingl collisional ionization). Protsess on väga sarnane Frank-Hertzi katses kirjeldatuga, kuid selle asemel, et põrkel aatomid ergastatakse nad hoopiski ioniseeritakse. Näiteks kui elektriväljas kiirendatud elektron (e–) põrkub neooni aatomitega (Ne), siis põrke tagajärjel eraldub Ne aatomist üks elektron (algsele ioniseerivale elektronile lisaks) ja tekib neooni positiivne ioon (Ne+). Ne + e– → Ne+ + 2e– Reaktsiooni ioonide ja elektronide tekkekiirused saab arvutada valemist: [ N e + ] d t = d n e d t = ν i n e = K i [ N e ] n e {\displaystyle {\frac {[Ne^{+}]}{dt}}={\frac {dn_{e}}{dt}}=\nu _{i}n_{e}=K_{i}[Ne]n_{e}} . [Ne+] – ioonide kontsentratsioon ne – elektronide kontsentratsioon t – aeg νi – ionisatsioonisagedus, ühe elektroni poolt ajaühikus ioniseeritud osakeste arv Ki – kiiruskonstant Elektronlaviini (ingl electron avalanche) tekkeks on vaja vähemalt ühte algelektroni, mis liigub elektriväljas. Piisavalt tugeva välja korral omandab elektron piisava energia, et lüüa aatomitest välja uusi elektrone, mille tõttu gaasi aatomid ioniseeruvad. Nii saab ühest elektronist alguse elektronide pilv, mis iseend paljundab (joonis 5). Kui elektrivälja tugevus on piisav ioniseerimiseks, siis toimub elektronide laviinpaljunemine. Laengukandjate arvu homogeenses väljas saab arvutada kasutades valemeid: Laengukandjate arv ruumis: n ( x ) = n 0 e x p ( α x ) {\displaystyle n(x)=n_{0}exp(\alpha x)} Laengukandjate arv ajas: n ( t ) = n 0 e x p ( α ν t t ) {\displaystyle n(t)=n_{0}exp(\alpha \nu _{t}t)} n0 – algne laengukandjate arv α – ionisatsioonikoefitsient νt – elektronide triivikiirus t – aeg x – ruumikoordinaat Magnetiline sulustamine Matti Laan: Plasmafüüsika loengukonspekt 20.10.2011 HyperPhysics