आयनीकरण

File:Aurora in Abisko near Torneträsk.jpg

The एसओlar wind moving through the magnetosphere alters the movements of charged particles in the Earth's thermosphere or exosphere, and the resulting ionization of these particles causes them to emit light of varying colour, thus forming auroras near the polar regions.

आयनीकरण (या आयनीकरण) वह प्रक्रिया है जिसके द्वारा एक परमाणु या एक अणु, अधिकांशतः अन्य रासायनिक परिवर्तनों के संयोजन के साथ, इलेक्ट्रॉनों को प्राप्त या खो कर एक नकारात्मक या सकारात्मक विद्युत आवेश प्राप्त करता है। परिणामी विद्युत आवेशित परमाणु या अणु को आयन कहा जाता है। उप-परमाणु कणों के साथ टकराव, अन्य परमाणुओं, अणुओं और आयनों के साथ टकराव या विद्युत चुम्बकीय विकिरण के साथ बातचीत के बाद आयनीकरण एक इलेक्ट्रॉन के हानि का परिणाम हो सकता है। हेटेरोलिटिक बॉन्ड क्लीवेज और हेटेरोलिटिक प्रतिस्थापन प्रतिक्रियाओं के परिणामस्वरूप आयन जोड़े बन सकते हैं। आयनीकरण आंतरिक रूपांतरण प्रक्रिया द्वारा रेडियोधर्मी क्षय के माध्यम से हो सकता है, जिसमें एक उत्तेजित नाभिक अपनी ऊर्जा को आंतरिक खोल इलेक्ट्रॉन में से एक में स्थानांतरित कर देता है जिससे इसे बाहर निकाल दिया जाता है।

उपयोग करता है

गैस आयनीकरण के हर दिन के उदाहरण हैं जैसे कि एक फ्लोरोसेंट लैंप या अन्य विद्युत डिस्चार्ज लैंप के अन्दर। इसका उपयोग गीजर-मुलर काउंटर या आयनीकरण कक्ष जैसे विकिरण डिटेक्टरों में भी किया जाता है। मौलिक विज्ञान (जैसे, मास स्पेक्ट्रोमेट्री) और उद्योग (जैसे, विकिरण चिकित्सा) में विभिन्न प्रकार के उपकरणों में आयनीकरण प्रक्रिया का व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है।

आयनों का उत्पादन

File:Electron avalanche.gif

दो इलेक्ट्रोड के बीच निर्मित विद्युत क्षेत्र में हिमस्खलन प्रभाव। मूल आयनीकरण घटना एक इलेक्ट्रॉन को मुक्त करती है, और प्रत्येक बाद की टक्कर एक और इलेक्ट्रॉन को मुक्त करती है, इसलिए प्रत्येक टक्कर से दो इलेक्ट्रॉन निकलते हैं: आयनीकरण इलेक्ट्रॉन और मुक्त इलेक्ट्रॉन।

नकारात्मक रूप से आवेशित आयन तब उत्पन्न होते हैं जब एक मुक्त इलेक्ट्रॉन एक परमाणु से टकराता है और बाद में किसी भी अतिरिक्त ऊर्जा को छोड़ते हुए विद्युत संभावित अवरोध के अंदर फंस जाता है। प्रक्रिया को इलेक्ट्रॉन कैप्चर आयनीकरण के रूप में जाना जाता है।

आवेशित कणों (जैसे आयन, इलेक्ट्रॉन या पॉज़िट्रॉन) या फोटॉन के साथ टकराव में एक बाध्य इलेक्ट्रॉन को ऊर्जा की मात्रा स्थानांतरित करके सकारात्मक रूप से आवेशित आयन उत्पन्न होते हैं। आवश्यक ऊर्जा की शेष राशि को आयनीकरण क्षमता के रूप में जाना जाता है। इस तरह के टकरावों का अध्ययन कुछ शरीर प्रणाली | फ्यू-बॉडी समस्या के संबंध में मूलभूत महत्व का है, जो भौतिकी में प्रमुख अनसुलझी समस्याओं में से एक है। कीनेमेटिकली पूर्ण प्रयोग,^[1] चूंकि ऐसे प्रयोग जिनमें सभी टकराव के अंशों (बिखरे हुए प्रक्षेप्य, पीछे हटने वाले लक्ष्य-आयन, और उत्सर्जित इलेक्ट्रॉन) का पूर्ण संवेग सदिश निर्धारित किया जाता है, ने हाल के वर्षों में कुछ-शरीर की समस्या की सैद्धांतिक समझ में प्रमुख प्रगति में योगदान दिया है।

स्थिरोष्म आयनीकरण

एडियाबेटिक आयनीकरण आयनीकरण का एक रूप है जिसमें एक इलेक्ट्रॉन को उसकी सबसे कम ऊर्जा अवस्था में एक परमाणु या अणु से हटा दिया जाता है या उसकी सबसे कम ऊर्जा अवस्था में आयन बनाने के लिए जोड़ा जाता है।^[2]

टाउनसेंड डिस्चार्ज आयन प्रभाव के कारण सकारात्मक आयनों और मुक्त इलेक्ट्रॉनों के निर्माण का एक अच्छा उदाहरण है। यह एक गैसीय माध्यम में पर्याप्त उच्च विद्युत क्षेत्र वाले क्षेत्र में इलेक्ट्रॉनों को सम्मिलित करने वाली एक कैस्केड प्रतिक्रिया है जिसे आयनित किया जा सकता है, जैसे हवा। एक मूल आयनीकरण घटना के बाद, जैसे कि आयनकारी विकिरण के कारण, सकारात्मक आयन कैथोड की ओर बहता है, जबकि मुक्त इलेक्ट्रॉन डिवाइस के एनोड की ओर बहता है। यदि विद्युत क्षेत्र बहुत मजबूत है, तो मुक्त इलेक्ट्रॉन एक और इलेक्ट्रॉन को मुक्त करने के लिए पर्याप्त ऊर्जा प्राप्त करता है जब यह अगले अणु के साथ टकराता है। दो मुक्त इलेक्ट्रॉन तब एनोड की ओर यात्रा करते हैं और विद्युत क्षेत्र से पर्याप्त ऊर्जा प्राप्त करते हैं जिससे अगली टक्कर होने पर प्रभाव आयनीकरण होता है; और इसी तरह। यह प्रभावी रूप से इलेक्ट्रॉन उत्पादन की एक श्रृंखला प्रतिक्रिया है, और हिमस्खलन को बनाए रखने के लिए टकरावों के बीच पर्याप्त ऊर्जा प्राप्त करने वाले मुक्त इलेक्ट्रॉनों पर निर्भर है।^[3]

आयनीकरण दक्षता उपयोग किए गए इलेक्ट्रॉनों या फोटॉनों की संख्या के लिए गठित आयनों की संख्या का अनुपात है।^[4]^[5]

परमाणुओं की आयनीकरण ऊर्जा

File:First Ionization Energy blocks.svg

तटस्थ तत्वों की आयनीकरण ऊर्जा (104 से आगे की भविष्यवाणी)

परमाणुओं की आयनीकरण ऊर्जा में प्रवृत्ति का उपयोग अधिकांशतः परमाणु संख्या के संबंध में परमाणुओं के आवधिक व्यवहार को प्रदर्शित करने के लिए किया जाता है, जैसा कि मेंडेलीव की तालिका में परमाणुओं को क्रमबद्ध करके संक्षेपित किया गया है। तरंग कार्यों या आयनीकरण प्रक्रिया के विवरण में जाए बिना परमाणु कक्षाओं में इलेक्ट्रॉनों के क्रम को स्थापित करने और समझने के लिए यह एक महत्वपूर्ण उपकरण है। एक उदाहरण दाईं ओर की आकृति में प्रस्तुत किया गया है। दुर्लभ गैस परमाणुओं के बाद आयनीकरण क्षमता में आवधिक अचानक कमी, उदाहरण के लिए, क्षार धातुओं में एक नए खोल के उभरने का संकेत देती है। इसके अतिरिक्त, आयनीकरण ऊर्जा भूखंड में स्थानीय अधिकतम, एक पंक्ति में बाएं से दाएं की ओर बढ़ते हुए, s, p, d और f उप-कोशों के संकेत हैं।

== आयनीकरण == का अर्ध-शास्त्रीय विवरण

शास्त्रीय भौतिकी और परमाणु का बोहर मॉडल गुणात्मक रूप से फोटोकरण और टक्कर-मध्यस्थ आयनीकरण की व्याख्या कर सकता है। इन स्थितियों में, आयनीकरण प्रक्रिया के समय, इलेक्ट्रॉन की ऊर्जा उस संभावित अवरोध के ऊर्जा अंतर से अधिक हो जाती है जिसे वह पार करने की कोशिश कर रहा है। अर्ध-शास्त्रीय विवरण, चूंकि, सुरंग आयनीकरण का वर्णन नहीं कर सकता क्योंकि इस प्रक्रिया में शास्त्रीय रूप से निषिद्ध संभावित अवरोध के माध्यम से इलेक्ट्रॉन का मार्ग सम्मिलित है।

आयनीकरण का क्वांटम यांत्रिक विवरण

पर्याप्त रूप से मजबूत लेजर दालों के साथ परमाणुओं और अणुओं की परस्पर क्रिया आयनीकरण को एकल या गुणा आवेशित आयनों की ओर ले जाती है। आयनीकरण दर, चूंकि इकाई समय में आयनीकरण की संभावना, केवल क्वांटम यांत्रिकी का उपयोग करके गणना की जा सकती है। सामान्यतः, विश्लेषणात्मक समाधान उपलब्ध नहीं होते हैं, और प्रबंधनीय संख्यात्मक गणनाओं के लिए आवश्यक सन्निकटन सही पर्याप्त परिणाम प्रदान नहीं करते हैं। चूंकि, जब लेजर की तीव्रता पर्याप्त रूप से अधिक होती है, तो परमाणु या अणु की विस्तृत संरचना को अनदेखा किया जा सकता है और आयनीकरण दर के लिए विश्लेषणात्मक समाधान संभव है।

सुरंग आयनीकरण

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एक परमाणु और एक समान लेजर क्षेत्र की संयुक्त क्षमता। दूरियों पर r < r₀, दूरी पर रहते हुए, लेज़र की क्षमता की उपेक्षा की जा सकती है

r > r 0

लेजर क्षेत्र की क्षमता की तुलना में कूलम्ब क्षमता नगण्य है। पर अवरोध के नीचे से इलेक्ट्रॉन निकलता है

r = R c

.

E i

परमाणु की आयनीकरण क्षमता है।

सुरंग आयनीकरण क्वांटम टनलिंग के कारण आयनीकरण है। शास्त्रीय आयनीकरण में, एक इलेक्ट्रॉन के पास इसे संभावित बाधा के ऊपर बनाने के लिए पर्याप्त ऊर्जा होनी चाहिए, लेकिन क्वांटम टनलिंग इलेक्ट्रॉन को इलेक्ट्रॉन की तरंग प्रकृति के कारण सभी तरह से जाने के अतिरिक्त संभावित अवरोध से गुजरने की अनुमति देता है। बैरियर के माध्यम से एक इलेक्ट्रॉन के टनलिंग की संभावना संभावित बैरियर की चौड़ाई के साथ तेजी से कम हो जाती है। इसलिए, एक उच्च ऊर्जा वाला एक इलेक्ट्रॉन इसे संभावित बाधा को और बढ़ा सकता है, जिससे सुरंग के माध्यम से बहुत पतली बाधा बन जाती है और इस प्रकार, ऐसा करने का एक बड़ा सुयोग मिलता है। व्यवहार में, सुरंग आयनीकरण तब देखा जा सकता है जब परमाणु या अणु निकट-अवरक्त मजबूत लेजर दालों के साथ परस्पर क्रिया कर रहा हो। इस प्रक्रिया को एक प्रक्रिया के रूप में समझा जा सकता है जिसके द्वारा एक बाध्य इलेक्ट्रॉन, लेजर क्षेत्र से एक से अधिक फोटॉन के अवशोषण के माध्यम से आयनित होता है। इस तस्वीर को आम तौर पर मल्टीफोटोन आयनीकरण (एमपीआई) के रूप में जाना जाता है।

क्लेडीश^[6] एमपीआई प्रक्रिया को परमाणु की जमीनी स्थिति से वोल्कोव अवस्थाों में इलेक्ट्रॉन के संक्रमण के रूप में तैयार किया।^[7] इस मॉडल में लेज़र क्षेत्र द्वारा जमीनी अवस्था के क्षोभ को उपेक्षित किया जाता है और आयनीकरण संभावना का निर्धारण करने में परमाणु संरचना के विवरण को ध्यान में नहीं रखा जाता है। क्लेडीश के मॉडल के साथ बड़ी कठिनाई इलेक्ट्रॉन की अंतिम अवस्था पर कूलम्ब इंटरेक्शन के प्रभावों की उपेक्षा थी। जैसा कि चित्र से देखा गया है, नाभिक से बड़ी दूरी पर लेजर की क्षमता की तुलना में कूलम्ब क्षेत्र परिमाण में बहुत छोटा नहीं है। यह नाभिक के पास के क्षेत्रों में लेजर की क्षमता की उपेक्षा करके किए गए सन्निकटन के विपरीत है। पेरेलोमोव एट अल।^[8]^[9] बड़ी आंतरिक दूरी पर कूलम्ब इंटरैक्शन सम्मिलित है। उनका मॉडल (जिसे हम पीपीटी मॉडल कहते हैं) शॉर्ट रेंज पोटेंशियल के लिए तैयार किया गया था और इसमें अर्ध-शास्त्रीय क्रिया में प्रथम क्रम सुधार के द्वारा लॉन्ग रेंज कूलम्ब इंटरेक्शन का प्रभाव सम्मिलित है। लारोचेल एट अल।^[10] सैद्धांतिक रूप से अनुमानित आयन बनाम तीव्रता वक्रों की तुलना दुर्लभ गैस परमाणुओं की एक टीआई के साथ बातचीत: प्रयोगात्मक माप के साथ नीलम लेजर से की गई है। उन्होंने दिखाया है कि पीपीटी मॉडल द्वारा भविष्यवाणी की गई कुल आयनीकरण दर क्लेडीश पैरामीटर के मध्यवर्ती शासन में सभी दुर्लभ गैसों के लिए प्रायोगिक आयन पैदावार के लिए बहुत अच्छी तरह से फिट होती है।

आयनीकरण क्षमता वाले परमाणु पर MPI की दर $E_{i}$ आवृत्ति के साथ एक रैखिक ध्रुवीकृत लेजर में $\omega$ द्वारा दिया गया है

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)}

कहाँ

$\gamma ={\frac {\omega {\sqrt {2E_{i}}}}{F}}$ क्लेडीश का रुद्धोष्मता पैरामीटर है,
$n^{*}={\frac {\sqrt {2E_{i}}}{Z^{2}}}$ ,
$F$ लेजर का शिखर विद्युत क्षेत्र है और
$l^{*}=n^{*}-1$ .