Ionizacija

**Ionizacija** je proces u kojim atom ili molekula dobijaju negativni ili pozitivni naboj dobivanjem ili gubitkom elektrona, često zajedno sa drugim hemijskim promjenama. Nastali električno nabijeni atom ili molekula nazivaju se ion. Ionizacija može nastati gubitkom elektrona nakon sudara sa subatomskim česticama, sudara s drugim atomima, molekulama i ionima ili interakcijom sa elektromagnetnim zračenjem. Heterolitičko cijepanje veze i heterolitske reakcije supstitucije mogu rezultirati stvaranjem ionskih parova. Ionizacija se može dogoditi radioaktivnim raspadanjem, procesom unutrašnje konverzije, u kojem pobuđeno jezgro prenosi svoju energiju na jedan od elektrona unutrašnje ljuske, zbog čega će biti izbačena.

## Upotreba
Svakodnevni primjeri ionizacije plina su poput fluorescentne lampe ili drugih lampi električnog pražnjenja. Također se koristi u detektorima zračenja kao što je Geiger-Müllerov brojač ili ionizaciona komora. Proces ionizacije se široko koristi u raznoj opremi u fundamentalnoj nauci (npr. masena spektrometrija) i u industriji (npr. zračna terapija).

## Proizvodnja iona 
Negativno nabijeni ioni nastaju kada se slobodni elektron sudari s atomom i potom zarobi unutar električne potencijalne barijere, oslobađajući sav višak energije. Proces je poznat kao ionizacija hvatanja elektrona.

Pozitivno nabijeni ioni nastaju prenošenjem određene količine energije na vezani elektron u sudaru sa nabijenim česticama (npr. ioni, elektroni ili pozitroni) ili sa fotonima. Prag potrebne količine energije poznat je kao potencijal ionizacije. Proučavanje takvih sudara od fundamentalne je važnosti s obzirom na problem malog tijela, što je jedan od glavnih neriješenih problema u fizici. Kinematski dovršeni eksperimenti, tj. eksperimenti u kojima se utvrđuje kompletan vektor impulsa svih fragmenata sudara (rasuti projektil, odmični cilj-ion i izbačeni elektron), doprinijeli su glavnom napretku u teorijskom razumijevanju problema malobrojnih tijela posljednjih godina.

Adijabatska ionizacija je oblik ionizacije u kojoj se elektron uklanja ili dodaje atomu ili molekuli u najnižem energetskom stanju da bi se formirao ion u njegovom najnižem energetskom stanju. Townsendovo pražnjenje dobar je primjer stvaranja pozitivnih iona i slobodnih elektrona uslijed sudara iona. To je kaskadna reakcija koja uključuje elektrone u području s dovoljno visokim električnim poljem u plinovitom mediju koji se može ionizirati, kao što je zrak. Nakon izvornog ionizacijskog događaja, kao što je ionizujuće zračenje, pozitivni ion zanosi se prema katodi, dok slobodni elektron odlazi prema anodi uređaja. Ako je električno polje dovoljno jako, slobodni elektron dobija dovoljno energije da oslobodi daljnji elektron kada se sljedeći sudari s drugom molekulom. Dva slobodna elektrona zatim putuju prema anodi i dobijaju dovoljno energije od električnog polja da izazovu ionizaciju udara, kada se dogode sljedeći sudari, i tako dalje. Ovo je u stvari lančana reakcija stvaranja elektrona.

Efikasnost ionizacije je odnos broja nastalih iona prema broju korištenih elektrona ili fotona.

## Ionizacijska energija atoma
thumb|upright=2|Ionizacijske energije neutralnih elemenata
Trend u energiji ionizacije atoma često se koristi za demonstriranje periodičnog ponašanja atoma, u odnosu na atomski broj, sažeto redanjem atoma u Mendeljejevljeve tabele. Ovo je dragocjen alat za uspostavljanje i razumijevanje uređenja elektrona u atomskim orbitalama, bez ulaska u detalje talasnih funkcija ili procesa ionizacije. Primjer je predstavljen na slici desno. Naprimjer, periodično naglo smanjenje potencijala ikonizacije, nakon atoma rijetkih plinova ukazuje na pojavu nove ljuske u alkalnim metalima. Pored toga, lokalni maksimumi u dijagramu ionizacijske energije, pomičući se slijeva udesno u nizu, indikativni su za s, p, d i f podljuske.

## Poluklasični opis ionizacije 
Klasična fizika i Bohrov model atoma mogu kvalitativno objasniti fotoionizaciju i ionizaciju posredovanu sudarom. U tim slučajevima, tokom procesa ionizacije, energija elektrona premašuje energetsku razliku potencijalne barijere kroz koju pokušava da prođe. Poluklasični opis, međutim, ne može opisati tunelsku ionizaciju, jer proces uključuje prolazak elektrona kroz klasično zabranjenu potencijalnu barijeru.

## Kvantno-mehanički opis ionizacije 
Interakcija atoma i molekula s dovoljno jakim laserskim impulsima dovodi do ionizacije na pojedinačno ili višestruko nabijene ione. Stopa ionizacije, tj. vjerovatnoća ionizacije u jedinici vremena, može se izračunati samo pomoću kvantne mehanike. Općenito, analitička rješenja nisu dostupna, a aproksimacije potrebne za upravljive numeričke proračune ne daju dovoljno precizne rezultate. Međutim, kada je intenzitet lasera dovoljno visok, detaljna struktura atoma ili molekule može se zanemariti i moguće je analitičko rješenje za brzinu ionizacije.

### Tunelska ionizacija 
thumb|upright=1.5|Kombinirani potencijal atoma i jednoliko lasersko polje. Na udaljenostima *r* 0, potencijal lasera  može se zanemariti, dok na udaljenostima sa *r* > *r*0 Kulonov potencijal je zanemariv u poređenju sa potencijalom laserskog polja. Elektron izlazi ispod barijere na *r* = *R*c. *E*i je ionizacijski potencijal atoma.

Tunelska ionizacija je ionizacija uslijed kvantnog tuneliranja. U klasičnoj ionizaciji, elektron mora imati dovoljno energije da ga prenese preko potencijalne barijere, ali kvantno tuneliranje omogućava elektronu da jednostavno prođe kroz potencijalnu barijeru, umjesto da pređe preko nje zbog talasne prirode elektrona. Vjerovatnoća probijanja elektrona kroz barijeru eksponencijalno opada sa širinom potencijalne barijere. Prema tome, elektron s većom energijom može ga dalje podići prema potencijalnoj barijeri, ostavljajući mnogo tanju barijeru za prolaz kroz tunel i, samim tim, veće šanse za to. U praksi je tunelska oonizacija uočljiva kada atom ili molekula komuniciraju sa jakim laserskim impulsima u blizini infracrvene svjetlosti. Ovaj se proces može shvatiti kao postupak kojim se ograničeni elektron, apsorpcijom više od jednog fotona iz laserskog polja, ionizuje. Ova slika je općenito poznata kao multifotonska jonizacija (MPI).

Keldysh modelirao je MPI proces kao prijelaz elektrona iz osnovnog stanja atoma u Volkovljevo stanje. U ovom modelu zanemaruje se poremećaj osnovnog stanja laserskim poljem i detalji atomske strukture pri određivanju vjerovatnoće jonizacije nisu uzeti u obzir. Najveća poteškoća s Keldyshovim modelom bila je njegova zapostavljenost efekata Coulomb interakcije na konačno stanje elektrona. Kao što se vidi sa slike, Kulonovo polje nije jako male veličine, u poređenju sa potencijalom lasera na većim udaljenostima od jezgra. To je za razliku od aproksimacije napravljene zanemarivanjem potencijala lasera u regionima blizu jezgra. Perelomov et al. uključivali su Coulombovu interakciju na većim međuuklearnim udaljenostima. Njihov model (koji nazivamo PPT modelom) izveden je za potencijal kratkog dometa i uključuje učinak dalekometne Coulombove interakcije kroz korekciju prvog reda u kvaziklasičnom djelovanju. Larochelle et al. uporedili su teorijski predviđene krivulje iona i intenziteta atoma rijetkih plinova u interakciji s Ti: Safir laserskim eksperimentalnim mjerenjem. Pokazali su da se ukupna brzina ionizacije predviđena PPT modelom vrlo dobro uklapa u eksperimentalne prinose iona za sve rijetke plinove u srednjem režimu Keldyshovog parametra.

Brzina MPI na atomu sa potencijalom ionizacije 
 E_i  in a linearly polarized laser with frequency  \omega  is given by
:W_{PPT} =
\left|C_{n^* l^*}\right|^2 \sqrt{\frac{6}{\pi}} f_{lm}
E_i \left(\frac{2}{F} \left(2E_i\right)^{\frac{3}{2}}\right)^{2n^* - |m|- \frac{3}{2}}
\left(1 + \gamma^2\right)^{\left|\frac{m}{2}\right|+ \frac{3}{4}}
A_m (\omega, \gamma) e^{-\frac{2}{F}\left(2E_i\right)^{\frac{3}{2}} g\left(\gamma\right)}

gdje
*  \gamma=\frac{\omega \sqrt{2E_i}}{F}  = Keldyshov parametar adijabateta,
*  n^*=\frac{\sqrt{2E_i}}{Z^2} ,
*  F  = vrk električnog polja lasera, a
*  l^*=n^* - 1 .
The coefficients  f_{lm} ,  g(\gamma)  i  C_{n^* l^*}  dati su izrazom 
:\begin{align}
f_{lm} &= \frac{(2l + 1)(l + |m|)!}{2^m |m|!(l - |m|)!} \\
g(\gamma) &= \frac{3}{2\gamma} \left(1 + \frac{1}{2\gamma^2} \sinh^{-1}(\gamma) - \frac{\sqrt{1 + \gamma^2}}{2\gamma}\right) \\
|C_{n^* l^*}|^2 &= \frac{2^{2n^*}}{n^* \Gamma(n^* + l^* + 1) \Gamma(n^* - l^*)}
\end{align}

Koeficijent  A_m (\omega, \gamma) dat je kao:
:
A_m (\omega, \gamma) =
\frac{4}{3\pi} \frac{1}

Prosjek vremena punog ciklusa tog potencijala je:
V_{AV}=
  -\frac{1}{2 \left|x + \frac{a}{\sqrt{2}}\right|}
  -\frac{1}{2 \left|x - \frac{a}{\sqrt{2}}\right|}

bit će parna funkcija x i stoga ima maksimum pri x = 0, dok će za taj početni uvjet rješenje biti x (t) = 0  u K-H i on će stoga biti identičan rješenju slobodnih elektrona u laboratorijskom okviru. S druge strane, brzina elektrona je fazno pomaknuta i prema jačini polja i prema položaju elektrona: 
:\frac{\mathrm{d} x}{\mathrm{d} t}=-\frac{F}{\omega} \cos(\omega t)

Stoga se, uzimajući u obzir talasnu dužinu impulsa i definišući ionizaciju kao puni izlazak iz segmenta linije dužine 2r (ili iz sfernog područja u tri dimenzije), a puna ionizacija dešava se u klasičnom modelu nakon vremena r/(a\ omega) ili uopće nema ionizacije, ovisno o tome je li talasna dužina harmoničnog polja presječena na nultoj minimalnoj ili maksimalnoj brzini.

## Disocijacija – Distinkcija 
Supstanca može disocirati bez nužnog stvaranja iona. Naprimjer, molekule stonog šećera razdvajaju se u vodi (šećer se rastvara), ali postoje kao netaknuti neutralni entiteti. Sledeći suptilni događaj je disocijacija natrij-hlorida (kuhinjske soli) na ione natrija i hlora. Iako se to-može činiti kao slučaj ionizacije, u stvarnosti ioni već postoje unutar kristalne rešetke. Kada se so disocira, njeni sastavni ioni jednostavno su okruženi molekulama vode i vidljivi su njihovi učinci (npr. rastvor postaje elektrolitski. Međutim, ne dolazi do prijenosa ili pomicanja elektrona. Zapravo, hemijska sinteza soli uključuje ionizaciju. Ovo je hemijska reakcija.

## Tabela
## Također pogledajte
*Ion
* Natpražna ionizacija
* Ionizacijska komora 
* Ionski izvor
* Fotoionizacija
* Toplotna ionizacija
* Elektronska ionizacija
* Hemijska ionizacija

## Reference
## Vanjski linkovi

Kategorija:Ioni
Kategorija:Molekularna fizika
Kategorija:Atomska fizika
Kategorija:Fizikalna hemija
Kategorija:Kvantna hemija
Kategorija:Masena spektrometrija