Отрицательные ионы в газах - атомы или молекулы газа, захватившие добавочный электрон.
Атомный О. и. представляет собой
связанное состояние атома и электрона; по своей структуре как система,
состоящая из положительно заряженного ядра и электронов, О. и. подобен
атому. Однако, в отличие от атома, в О. и. взаимодействие валентного электрона
с атомом короткодействующее; поэтому число связанных состояний О. и. чаще
всего одно, в то время как атом обладает бесконечным числом связанных состояний.
Взаимодействие валентного электрона О. и. с атомным остатком носит
обменный характер (см. (Обменное взаимодействие ).Поэтому способностью
присоединять к электронной оболочке добавочный электрон обладают атомы,
у к-рых внеш. часть этой оболочки не заполнена. Для атома с заполненной
электронной оболочкой взаимодействие имеет характер отталкивания; вследствие
этого щёлочноземельные металлы, имеющие заполненную внеш. s-оболочку
из двух электронов, и инертные газы, имеющие замкнутую оболочку из шести
р-электронов,
не имеют О. и.
Осн. характеристикой О. и. является энергия
связи электрона и захватившего его атома, наз. энергией
сродства к электрону и обозначаемая ЕА (electron affinity).
ЕА значительно
меньше потенциалов ионизации атомов (табл. 1).
Методов измерения ЕА существует
много. Наиб. информация получена методом фотоэлектронной спектроскопии
- измерение порога фотораспада О. и. или энергии электронов, оторванных
от О. п. при облучении лазерным излучением. ЕА для атомов галогенов
определяются по спектру излучения плазмы, к-рый даёт порог фотоприлипания
электрона к атому галогена. Др. методы: метод поверхностной ионизации,
анализ диссоциативного прилипания электрона к молекуле - обеспечивают точность,
на два порядка худшую, чем метод фотоэлектронной спектроскопии.
Табл. 1. - Энергия связи различных атомов
и электрона
Атом
EA, эB
Атом
ЕА, эB
1
Н
0,75416
37
Rb
0,4859
3
Li
0,609
39
Y
0,307
5
В
0,277
40
Zr
0,426
6
С
1,269
41
Nb
0,893
7
N
нет
42
Mo
0,746
8
О
1,46112
43
Tc
0,5
9
F
3,399
44
Ru
1 ,05
11
Na
0,5479
45
Rh
1, 137
13
Al
0,441
46
Pd
0,557
14
Si
1,385
47
Ag
1 ,302
15
Р
0,7465
49
In
0,3
16
S
2,07712
50
Sn
1,2
17
Cl
3,617
51
Sb
1,07
19
К
0 ,501
52
Те
1,9708
21
Sc
0,188
53
I
3,0591
22
Ti
0,079
55
Cs
0,47163
23
V
0,525
57
La
0,5
24
Сr
0,666
73
Та
0,322
25
Mn
нет
74
W
0,815
26
Fe
0,163
75
Re
0,15
27
Co
0,061
76
Os
1,14
28
Ni
1,156
77
Ir
1,56
29
Cu
1 ,228
78
Pt
2,128
31
Ga
0,30
79
Au
2,3086
32
Ge
1,20
81
Tl
0,2
33
As
0,81
82
Pb
0,364
34
Sе
2,0207
83
Bi
0,946
35
Br
3,365
84
Po
1,9
Примечание. Несуществующие отрицательные
ноны инертных газов и щёлочноземельных металлов не включены в таблицу.
Двухзарядиые О. и. не существуют. В редких
случаях О. и. могут иметь метастабильные возбуждённые состояния. В табл.
2 приводятся ЕА для основного и возбуждённого состояний тех
О. и., у к-рых имеются возбуждённые состояния.
Табл. 2. - Энергия связи в основном
и возбуждённом состояниях
Отрицательный
ион, состояние
EA,эВ
C-(4S)
1,269
C-(2D)
0,033
Аl-(3P)
0,441
Al-(2D)
0,109
Si-(4S)
1,385
Si-(2D)
0,523
Si-(2P)
0,029
Se-(1D)
0,188
Se-(3D)
0,041
Отрицательный
ион, состояние
EA, эВ
Ge-(4S)
1 ,2
Ge-(2D)
0,4
Y-(1D)
0,307
Y-(3D)
0,164
Pd-
(2S)
0,557
Pd-(2D)
0,421
Sn-(4S)
1,2
Sn-(2D)
0,4
Если О. и. содержит два возбуждённых электрона,
то такое состояние является автораспадным. Короткоживущие (~ 10-4с)
автораспадные состояния О. л. проявляются в процессах столкновения электронов
с атомами. Напр., существование автораспадного состояния О. и. азота повышает
эффективность излучения низкотемпературной азотной плазмы.
Молекулярные О. и. представляют
собой связанное состояние молекулы и электрона. Энергии сродства нек-рых
молекул к электрону приведены в табл. 3.
Табл. 3. - Энергия связи электрона с
молекулой
Молекула
ЕА, эВ
Молекула
ЕА, эВ
Br2
2,6
NO2
3,1
Cl2
2,4
O3
2,1
F2
3,0
SH2
1,1
I2
2,5
SO2
1,0
O2
0,44
СО3
2,8
OН
1,83
NO2
3,7
S2
1,66
СО4
1,2
Методы определения ЕА для молекулярных
отрицательных ионов основаны на исследовании поверхностной ионизации, процессов фотораспада,
диссоциативного прилипания и др. ионно-молекуляр-ных и ионно-ионых процессов.
Точность определения ЕА для молекул существенно ниже, чем для атомов.
Молекулярные О. п. могут образовывать кластерные ионы; особенно
эффективно они образуются в электроотрицат. газах при низких темп-pax.
Наличие автораспадных состояний молекулярных О. и. увеличивает эффективность
ко лебательного возбуждения молекул в разряде на неск. порядков.
Процессы разрушения и образования О. и.
очень разнообразны (табл. 4).
Табл. 4. - Разрушение и образование
отрицательных ионов
Процесс
Пример
1. Диссоциативное
прилипание электрона к молекуле
е + Н2 -->
H- + Н
2. Прилипание
электрона к молекуле при тройных столкновениях
е+ 2 О2
--> О2- + О2
3. Радиац. прилипание
электрона к атому и молекуле
е + Н -->
H- +
4. Хемнпонизация
Cs + MoF6
- -> Cs+ + MoF6
5. Резонансная
перезарядка
H-
+ H - -> H + H-
6. Нерезонансная
перезарядка
О2-
+ О3- ->O2 + O3-
7. Ионно-молекулярные
реакции
UF6-+ BF3 - -> UF5 + BF4-
8. Образование
кластерных ионов
OH-+H20+O2
- -> ОН- * H2O+O2
9. Фотодиссоциация
CO3-
х
H2O +- -> CO3- + H2O
10. Фотораспад
H-
+
hw - ->
H + e
11 . Взаимная
нейтрализация ионов
H+
+ H- - ->2H
12. Рекомбинация
ионов при тройных столкновениях
NO
++NO2-+N2
- -> NO+NO2+N2
13. Ассоциативный
распад
O-
+ СО - -> СО2 + e
14. Разрушение
О. и. при столкновениях
H-
+ He - -> H + He + e
Эффективностью этих процессов определяется
роль отрицательных ионов в разл. газово-плазменных системах. Образование О. и. в газовом
разряде резко снижает проводимость плазмы, а это приводит к возникновению
неустойчивостей и структур в газовом разряде. Введение в газовый промежуток
электроотрицат. газов повышает его пробойное напряжение. Существенны процессы
с О. и. в атмосфере Земли, планет, звёзд. Отрицат. заряд у поверхности
Земли связан с процессом 2 (табл. 4). Излучение Солнца в оптич. области
спектра в большей степени создаётся процессом 3 (табл. 4), протекающим
в фотосфере Солнца.
Литература по отрицательным ионам в газах
Смирнов Б. М., Отрицательные ионы, М., 1978;
Месси Г., Отрицательные ионы, пер. с англ., М., 1979.
Знаете ли Вы, что в 1965 году два американца Пензиас (эмигрант из Германии) и Вильсон заявили, что они открыли излучение космоса. Через несколько лет им дали Нобелевскую премию, как-будто никто не знал работ Э. Регенера, измерившего температуру космического пространства с помощью запуска болометра в стратосферу в 1933 г.? Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.
- -> CO3- + H2O
