Если Вы уже зарегестрированны, вводите данные для входа!















Если Вы еще не зарегистрировались? Тогда заполните поля!



Введите защитный код
Мы рады Вас приветствовать на сайте «Свой Мастер», получите бесплатную консультацию по интересующему Вас вопросу прямо сейчас, звоните: 8(929)522-00-45.

Регистрация

Предыдущая статья      Следующая статья

Атмосферные ионы и ионизация в газах

Ионизация в газах

Суть ионизации заключается в разделении атома на положительный ион и электрон. Больший интерес для электроники представляет ионизация газа, который находится в электрическом поле. Понятие ионизации газа представляет собой появление в газе заряженных частиц – молекул, называемых газовыми ионами, под воздействием различных внешних взаимодействий. Наибольшее влияние оказывают такие внешние агенты как рентгеновские лучи, лучи радия, сильный нагрев газа.

Вызывают ионизацию, например приборы, называемые ионизаторами.

Количественной характеристикой ионизации является интенсивность ионизации, которая измеряется количеством пар противоположных по знаку частиц, возникающих в единице объёма газа за единицу времени.

Механизм ионизации в газах заключается в следующем: нейтральные атомы и молекулы содержат одинаковое количество положительного электричества в виде центральных ядер и отрицательного – в виде электронов, окружающих эти ядра. Под воздействием различных причин электрон может быть вырван, и молекула, которая остаётся, приобретает положительный заряд. А вырванный электрон не остаётся свободным, он захватывается одной или несколькими нейтральными молекулами и сообщает им отрицательный заряд. В итоге получается пара противоположно заряженных ионов. Для того, чтобы электрон оторвался от атома ему необходимо затратить определённую энергию – энергию ионизации. Эта энергия различна для разных веществ и зависит от строения атома.

Каждый молекулярный ион, который образовался, притягивает нейтральные молекулы, и тем самым образует целый ионный комплекс. Ионы противоположных знаков, при столкновении друг с другом, нейтрализуют друг друга, в результате чего опять получаются исходные нейтральные молекулы –такой процесс называется рекомбинацией. При рекомбинации электрона и положительного иона высвобождается определённая энергия, которая равна энергии, затраченной на ионизацию.

Так что в стационарных условиях, в ионизированном газе количество ионов определяется подвижным равновесием между количеством ионов, которые доставляются ионизатором, и количеством ионов, которые исчезают вследствие рекомбинации.

После того, как прекращается действие ионизатора количество ионов в газе с течением времени становится всё меньше, и в конце концов практически сводится к нулю. Это объясняется тем, что электроны и ионы принимают участие в тепловом движении и поэтому соударяются друг с другом. В результате столкновения электрона и положительного иона они воссоединяются в нейтральный атом. А когда сталкиваются положительный и отрицательные ионы, последний в свою очередь может отдать положительному иону свой собственный избыточный электрон и оба иона станут нейтральными молекулами.

В естественном состоянии газы не проводят электричества. Если поместить изолированное заряженное тело в сухой атмосферный воздух, например заряженный электрометр с хорошей изоляцией, то заряд электрометра останется практически неизменным долгий период времени.

Для ионизации газов необходимы высокие температуры, например, для водорода этот показатель составляет 6000 К, такой тип ионизации газов распространен преимущественно в звездах.

Здоровья всем, кому не лень или интересно читать нашу информацию!

У всех к всяческому чтиву свое отношение. Любую научно-техническую книгу или статью я вначале просматриваю на предмет: о чем в ней, на каком уровне написано и стоит ли смотреть еще раз. Во второй раз обычно ищется что-то конкретное, поэтому читаются отдельные места. В третий раз, если он наступит – другие отдельные места. У меня есть статьи и книги, зачитанные мною, как говорят, до дыр. И, тем не менее, редко какую работу прочитываешь «от корки до корки». Посему не удивительно, что в одной такой работе (3) с уже отлетевшими от частого употребления обложками на глаза впервые попался абзац, в котором говорится о наличии разницы между естественными и искусственно созданными ионами и делается предположение об их разном терапевтическом действии. Пришлось докапываться до сути процессов ионизации и изучать физико-химические особенности образования и гибели разных ионов.

Представьте себе, вроде бы разобрался в этих тонкостях и хотел даже предложить их вашему вниманию, но потом вспомнил бессмертные слова Козьмы Пруткова о том, что «многие вещи нам непонятны не потому, что они непонятны, а потому, что они не входят в круг наших понятий». Если в понятия, например, слепого не входит понятие о цвете, то ему не объяснить разницы между, например, красной и белой розами, как человеку без обоняния (а такие тоже есть) не объяснить разницы между запахами той же розы и сероводорода.

Конечно, среди читающих эту писульку найдутся и такие, для кого это звучит оскорбительно, поскольку они «и сами с усами». Для них я в конце дам ссылку, где можно найти весьма подробные сведения о том, что и как происходит при ионизации воздуха. Правда, должен оговориться, что эта информация достаточно «древняя», поскольку в круг моих интересов и возможностей теперь не входит такое понятие, как посещение научных библиотек, а книг на эту тему что-то весьма давно не встречал в продаже. Посему не удивляйтесь примитивизму моего изложения. И еще одно. Поскольку я это пишу для того, чтобы несколько повысит уровень знаний в области ионизации воздуха людей, мало знакомых с этим явлением, то тем, у кого волосы выпадают из головы, выпираемые избытком знаний, в том числе и в этой области, не рекомендую затевать спор по излагаемым мной вопросам. Не вижу смысла ввязываться в такой спор. Один мой хороший знакомый в таких случаях не спорил, а говорил: «Ну и помирай дураком».

В приземном слое атмосферы, в котором мы с вами обитаем, в естественных условиях ионизация воздуха производится остаточным радиоактивным излучением земли и горных пород, чаще всего продуктами распада радия, например, радоном, доходящим до земли космическим излучением, путем объемной фотоионизации воздуха ультрафиолетовыми лучами, в том числе и рентгеновскими лучами, стеканием зарядов с острых предметов, в том числе и с иголок хвойных деревьев. Иногда перед грозой или в море на кораблях явление стекания зарядов видно невооруженным глазом и получило название «Огни святого Эльма». (1) В процессе ионизации участвуют также грозы, пожары, распыляемые струи воды, например, водопады. Основным и наиболее стабильным источником ионизации атмосферного воздуха являются все же радиоактивное излучение земли и космические лучи, так как фотоионизация ультрафиолетовыми лучами Солнца происходит только днем, а остальные явления происходят эпизодически и не повсеместно.

Интенсивность образования ионов зависит прежде всего от места измерения, природных условий, времени суток и времени года, а также от температуры и давления воздуха, скорости ветра, осадков. А на спектр образуемых ионов существенно влияет наличие примесей в воздухе, то есть загрязнение воздуха, туман, дождь, снег. В достаточно сухом и чистом воздухе преобладают легкие ионы, а в загрязненном воздухе, при наличии осадков, тумана количество легких ионов может упасть до нуля, зато возрастет количество средних и тяжелых ионов (6). По устоявшемуся среди специалистов мнению терапевтическую ценность представляют легкие ионы, а средние и тяжелые ионы либо бесполезны, либо, в некоторых условиях, вредны (3).

Сам процесс ионизации достаточно сложен, чтобы забивать этими сведениями ваши мозги. При ионизации параллельно идет несколько процессов:

  • непосредственное образование пар ионов за счет того, что ионизирующая частица или гамма-квант срывает с внешней орбиты нейтральной молекулы электрон, создавая таким образом положительный ион, а оторванный электрон тут же прилипает к первой же молекуле, с которой он столкнется, и либо образует отрицательный ион, либо нейтрализует заряд, если молекула положительно заряжена (5);
  • возбуждение молекул без образования ионов, при котором какой-то электрон, может быть и не один, выталкивается на более высокую орбиту, но не отрывается; встреча двух таких молекул приводит к тому, что они весь запас своей энергии вкладывают в «пинок» одному из электронов на внешней орбите, возвращая за счет этого свои возбужденные электроны на прежние орбиты и превращаясь в положительный ион, а электрон, который «выпиннули», начнет передавать при столкновениях с другими молекулами часть своей энергии этим молекулам, создавая тем самым иногда очень большое количество пар ионов, пока, растеряв всю энергию, окончательно не прилипнет к какой-либо нейтральной молекуле, создав тем самым еще один, но уже отрицательный ион (1);
  • диссоциация молекул, при которой молекулы разбиваются на разнополярные ионы атомов или осколков молекулы, которые затем могут воссоединиться с подобной оторванной части другой частицей и нейтрализоваться, либо вступить в реакцию с какой-либо нейтральной молекулой и образовать ион нового вещества – подобным образом возникают молекулы озона, окислов азота и так называемый оксониум (в переводе – ион) – это молекула воды, к которой пристал положительно заряженный протон водорода, у которого содрали с орбиты единственный электрон (1);
  • перезаряд ионов при встрече иона какого-то вещества с нейтральной молекулой, имеющей более низкий потенциал ионизации, в результате чего нейтральная молекула станет ионом, а ион превратится в нейтральную молекулу (5).

Все эти ионы называются первичными, так как они представляют собой заряженные атомы или молекулы и живут в таком состоянии не более 10-7 секунды, то есть одну десятимиллионную долю секунды (5).

Кто-то из не лишенных любопытства и терпения ученых мужей подсчитал (у ученых жен интересы лежат в других местах), а кто-то такой же проверил расчеты и подтвердил, что в кубическом сантиметре воздуха находится 1019 молекул газов (эта цифра получится, если десять миллиардов умножить на один миллиард). Другой ученый муж установил, что каждый ион за одну секунду сталкивается с шестью миллиардами нейтральных молекул различных газов. Отсюда можно подсчитать, что за 10-7 секунды первичный ион сталкивается с разными нейтральными молекулами шестьсот раз. В результате этих столкновений вся невообразимая каша первичных ионов за счет перезарядов, попутных химических реакций, дружеских соединений приобретает определенный порядок, и в воздухе остаются, преимущественно, положительные ионы O2+ (кислорода), NO2+ (двуокись азота), NO+ (окись азота), H3O+ (оксониум – молекулы воды H2O плюс протон водорода H+) и H2O+ (молекула воды с оторванным электроном), а также отрицательные ионы O2- (кислорода), N2- (азота) и NO- (окись азота) (5). Азот, хотя и имеет высокий потенциал ионизации, не успевает весь перезарядиться, так как из-за высокого (78,09%) содержания его в воздухе он может иногда сталкиваться только с себе подобными молекулами без заряда. Если воздух загрязнен примесями, то в нем могут возникнуть различные ионы того и другого знака за счет примесей. Так весьма легко из-за низкого потенциала ионизации возникают ионы сероводорода (H2S) (помните школьную присказку: «Шла старушка через лес и пускала аш-два-эс»?), аммиака (NH3), хлора (Cl2). Содержанием H2S и NH3 богаты туалеты и квартиры с наличием грязных пеленок, а также квартиры, в которых жильцы страдают несварением желудка, недержанием мочи, бурлением в животе. А Cl2 всегда идет из водопроводной воды, если она хлорирована.

После описанной стадии образования первичных ионов начинается настоящая жизнь легких ионов, которая длится, как правило, от 10-7 секунды до 100, а иногда и более секунд. В это время первичные ионы, сталкиваясь с нейтральными молекулами различных газов, способных хоть немного поляризоваться (наибольшей поляризуемостью обладают молекулы воды и углекислого газа, а наименьшей – молекулы кислорода и инертных газов), удерживают их вокруг себя некоторое время (от 10-6 секунды для обычных газов до 10-4 секунды для углекислого газа и до 10-3 секунды – для воды). У положительного иона заряд в виде протона расположен в центре иона. Вокруг такого иона постоянно в соприкосновении находится от 13 до 20 молекул (в сухом воздухе) и от 11 до 15 молекул (во влажном воздухе). И вся эта штука выглядит в виде шара, у которого нейтральные молекулы, облепившие ион, непрерывно сменяются другими соседними молекулами при движении иона. Отрицательный ион имеет на своей внешней орбите лишний электрон, и к нему сначала намертво прилипает какая-либо поляризованная молекула, а затем вокруг этих двух молекул собираются в виде тора (кольца) 6-8 нейтральных молекул (в сухом воздухе) или 5-7 молекул (во влажном воздухе). Эти все молекулы все время соприкасаются с отрицательным ионом и так же непрерывно заменяются другими нейтральными молекулами (5). Во время этой «настоящей» жизни вторичные ионы попадают прежде всего под действие электрического поля земли, образованного отрицательным зарядом земли. Принято считать, что у поверхности земли напряженность этого поля в среднем равна 130 Вольт/метр, хотя на самом деле она имеет большой разброс в зависимости от места измерения. Так в Павловске (Слуцке) под С.-Петербургом и в Вашингтоне она равна 179 В/м, Давосе (США) она равна 64 В/м, на станции КЬЮ (не знаю, где она) намерено 317 В/м.

С ростом высоты над уровнем земли напряженность поля падает (1). Под действием этого электрического поля положительные ионы движутся к земле, а отрицательные ионы – в верхние слои атмосферы. Поэтому у земли положительных ионов почти всегда несколько больше, чем отрицательных, а в верхних слоях атмосферы – наоборот. Всякие ветры и завихрения воздуха тоже перемещают ионы своими потоками. И, наконец, непрерывно идет процесс рекомбинации ионов, т.е. нейтрализация зарядов двух встретившихся разно полярных ионов (2). Установлено, что самыми устойчивыми в смысле постоянства внешней оболочки являются ионы оксониума H3O+ в окружении молекул воды, которые из-за наличия сил поляризации не расстаются с полюбившимся ионом до самой его смерти, то есть нейтрализации его заряда ионом другой полярности. Среди отрицательных ионов таких «крепеньких» ионов обнаружено не было (5). Правда, это сведения примерно тридцатилетней давности, может за это время кто-то что-то и открыл. Если кому-либо из вас известно об этом, поделитесь новостью.

В ходе такой «жизни» и таких массовых столкновений с другими молекулами каждый «живой» ион, если он не рекомбинировал, встречается либо с крупным конгломератом молекул, не имеющим заряда, либо с твердой микрочастицей – взвешенным в воздухе ядром конденсации - и привет! Ион прилипает к такой частице, и, в зависимости от массы частицы, превращает ее либо в средний, либо в тяжелый, либо в сверхтяжелый ион (5). Все! Это смерть легкого иона. У средних и тяжелых ионов своя жизнь и своя смерть. В терапевтическом смысле они не представляют для нас интереса. К тому же, электрическое поле земли очищает воздух от таких заряженных частиц, забирая себе положительно заряженные частицы и отсылая вверх отрицательно заряженные, где они становятся ядрами конденсации воды и вместе с дождями падают, опять же, на землю. скапливаться где-то в приземном слое таким ионам не удается – и хорошо.

Для выяснения качества искусственно ионизированного воздуха были исследованы все возможные виды ионизаторов. Исследователей интересовали спектрограммы ионов по подвижности, создаваемые разными ионизаторами. Есть очень удобная статья, где все эти спектрограммы нарисованы (4). Любопытствующие могут туда заглянуть, если смогут добыть копии этой и других статей или найдут в библиотеках нужные журналы. Я же дам только короткие замечания по всем видам описанных спектрограмм.

Самые симпатичные спектрограммы у ионизаторов на базе альфа- или бета-активных препаратов [в статье описано использование, соответственно, Ро210 (полоний 210) и H33 или тритий)]. Эти спектрограммы идентичны природным. Такими штуками я тоже когда-то занимался, но с использованием других изотопов. К сожалению, ни в быту, ни на производстве их применять нельзя – техника безопасности при обращении с любыми радиоактивными изотопами не допускает вольного с ними обращения как при использовании, так и при сохранении от разрушения и при утилизации. То же самое относится к источникам гамма-излучения, да и спектрограмма у них хуже.

Очень симпатична спектрограмма при использовании рентгеновского излучения, но, сами понимаете, рентген – это то же, что и гамма-излучение, можно схлопотать и лейкемию, и рак. Никто таких ионизаторов нигде не применяет.

Ультрафиолетовые лампы дают, в основном, только отрицательные ионы и то за счет вторичного излучения от примесей в воздухе и разных предметов, так как исследованные УФ-лучи сами ионизацию не производят, но зато в обилии создают озон. Кто в клиниках был под облучением УФ-ламп, тот должен помнить противный запах озона, который по весу ядовитее синильной кислоты. Для ионизаторов УФ-лампы не применимы!

При биполярной ионизации коронным разрядом спектрограмма вполне прилична, но здесь надо различать, с помощью какого напряжения производится ионизация. При использовании высоковольтного постоянного напряжения обильно создается озон и окислы азота, то же самое происходит при использовании пульсирующего напряжения после однополупериодного выпрямления переменного напряжения. Это было замечено еще в пятидесятые годы и тогда же стали применять, точнее – предложили применять, короткие высоковольтные импульсы, несимметричные по амплитуде или однополярные. Но распространение получили все же ионизаторы униполярные, то есть дающие ионы только одной полярности, обычно – отрицательной. А поскольку все ионы, как естественного, так и искусственного происхождения, живут по одним законам, то при униполярной ионизации из-за отсутствия процессов рекомбинации все ионы одной полярности доживают до стадии превращения в тяжелые ионы, накапливаются в разных местах, создавая электростатические поля, объемные заряды. Если короче, то униполярные ионизаторы любого типа, даже «люстры» и «псевдолюстры» Чижевского, пригодны лишь для кратковременного применения в течение 10-20 минут – не более. А вот грамотных биполярных коронных ионизаторов воздуха пока что маловато.

Нить накаливания создает только положительные ионы за счет ионной эмиссии, так как для получения электронной эмиссии проволоку надо раскалять до белого каления. Короче, энергии тратится много, а толку мало, да и опасно, и нить быстро сгорит.

При горении светильного газа и газа в плитке на кухне получаются ионы обоих знаков, но совсем не той, что надо, подвижности, так как они образованы из продуктов сгорания газа.

При разбрызгивании (барботаже) воды количество легких ионов незначительно, зато количество средних и тяжелых ионов огромно. При этом, отрицательных ионов несколько больше, чем положительных.

А теперь небольшие выводы.

  1. При искусственной ионизации воздуха возможно получение ионного состава воздуха, близкого к природному составу, если в воздухе нет вредных примесей.
  2. Там, где есть соответствующие службы, лучше всего использовать ионизаторы воздуха на базе альфа- или бета-активных изотопов. Лучше всего для этих целей подходят изотопы трития, углерода-14, никеля-63 – они приемлемы по цене и достаточно безопасны.
  3. Широкого применения, в том числе и в быту, заслуживают только биполярные коронные ионизаторы воздуха, в которых используются короткие импульсы, как правило, управляемые по частоте и длительности. Использование таких ионизаторов позволяет получить нужное качество ионного состава воздуха, близкое к природному, с таким же терапевтическим действием.

Все.

Ниже перечислено то, что я использовал при написании этого опуса из чужих работ. Свои работы я никогда не публиковал, разве что в виде авторских свидетельств СССР, а теперь – еще и патентов.

Список литературы:

  1. Н.А.Капцов. Электрические явления в газах и вакууме. Гос. изд. техн.- теорит. литерат. М.-Л.,1950 г., 836 стр. (Хватит читать до конца жизни).
  2. Дж. Кэй, Т. Лэби. Таблицы физических и химических постоянных. Гос. издат. физ.-мат. литерат., М.,1962 г., 247 стр.
  3. Knoll M., Eichmeier J., Schon R. Properties, Measurement and Bioklimatik Aktion of “Small” Multimolekular Atmospherik Ions.-“Advances in Elektronics and Electron Physic”, 1964, Vol. 19, pp.177-254 (название статьи переводится: Свойства,измерение и биоклиматическое действие “малых” мультимолекулярных атмосферных ионов.).
  4. Eichmeier J., Herden P. Beweglichkeitsspektren Knstlich erzeugter Atmospharischer Ionen im Klein-und Mittelionenbereich.-“Zeitschrift fur angewandte Physik’’, 1968, Vol. 24, Nr.6, S.360-364.(Здесь о спектрах подвижностей атмосферных ионов, полученных искусственным путем).
  5. Eichmeier J. Beitrag zum Problem der Struktur der atmospharischen Kleinionen.-“Zeitschrift fur Geophysik”, 1968, Vol.34, S.297-322.(Здесь о структуре легких атмосферных ионов.).
  6. Eichmeier J., Braun W. Beweglichkeitsspektrometrie atmospharischer Ionen.-“Meteorologische Rundschau”, 1972, Vol.25, №1, S.14-19. (Здесь о спектрометрии подвижностей атмосферных ионов в разных местах измерения в Германии).

Автор статьи - В.П. Реута  (26.06.2005 г.)

Источник: http://www.ionization.ru

Предыдущая статья      Следующая статья