การไอออไนเซชั่น (Ionization)

1 . การกำเนิดไออน  (Ion generation)
                เนื่องจากไอออนคือ  อะตอมที่มีประจุบวกหรือลบที่เกิดจากการสูญเสียหรือเพิ่ม electron  แต่ไอออไนเซชั่น (Ionization) นั้นหมายถึง การสร้างไอออนบวกโดยวิธีการเอา electron ออกจากอะตอมที่เป็นกลาง
                การที่จะเอา electron ออกจากอะตอมนั้น จำเป็นต้องใส่พลังงานให้แก่อะตอม เช่นใส่พลังงานกลหรือพลังงานความร้อนก็ได้ การที่เราใส่พลังงานให้อะตอมนั้นก็เป็นการเปลี่ยนระดับของวงโคจร electron  ภายในอะตอมอะตอมวิธีการไอออนไนเซชั่นหรือการกำเนิดไอออนนั้นมีดังนี้

- การชนกันของ electron (Ionization by collision)

- โฟโตไอออนไนเซชั่น (Photoionization)

- ไอออนไนเซชั่นเนื่องจากความร้อน(Thermal ionization)

- การชนกันของ Metastable กับอะตอม (Ionization by Interaction of Metastable with Atoms)

- การชนกันของ electron (Ionization by collision)

1.1 การชนกันของ electron (Ionization by collision)
                การไอออไนเซชั่นแบบนี้จะมีประสิทธิภาพมากหรือน้อยขึ้นอยู่กับพลังงานของ electron หาก electron มีความเร็วน้อยเกินไป อาจไม่เกิดไอออไนเซชั่น การเกิดไอออไนเซชั่นโดยการชนของ electron นี้ ต้องมีพลังงานกล เท่ากันหรือมากกว่าพลังงานไอออไนเซชั่นของโมเลกุลหรืออะตอมที่เป็นกลางดังสมการ
                                                                           (1.1)
                เมื่อ  m  เป็นมวลของ electron
                V เป็นความเร็วของ electron
                 Wi เป็น Stepped Ionization Energy
จากสมการที่ 1.1 เมื่อพลังงานกลมีค่ามากกว่าพลังงานไอออไนเซชั่นในแต่ละชั้นของวงโคจร (Shell electron) ในชั้นต่างๆ จะถูกขับออกมาทำให้เกิด electron อิสระ free electron ดังสมการ
                                                          (1.2)
เมื่อ  A เป็น Atom ที่เป็นกลาง Neutral atom/molecyle
                 เป็น Excited atom molecule
                 เป็นพลังงานจลย์ (Kinetic energy)

การชนแบบนี้มีข้อสังเกตคือ

1. ถ้า electron มีความเร็วพอประมาณ แต่พลังงานของมันมีน้อยกว่าพลังงานที่ทำให้เกิดไอออไนเซชั่นเมื่อวิ่งไปชนอะตอม ทำให้อะตอมมีพลังงานสะสมสูงขึ้นอาจจะทำให้เกิดไอออไนเซชั่นได้ ถ้าอะตอมถูกชนด้วย electron อื่นอีก
2. ถ้า electron มีความเร็วมากเกินไปอาจทำให้ขบวนการไอออไนเซชั่นเลวลงเนื่องจากมันจะผ่านอะตอมไปเลยโดยไม่เกิดการชนกัน
3. ขบวนการไอออไนเซชั่นนี้เมื่อ electron วิ่งชนอะตอมทำให้ electron ตัวใหม่หลุดออกไปและยังวิ่งไปชนอะตอมอื่นอีกจำนวนไอออนที่เกิดจาก electron หลุดไปจะมีจำนวนเพิ่มขึ้นแบบ exponential
4. ก๊าชแต่ละชนิดจะมีช่วงพลังงานของ electron ที่ทำให้เกิดการไอออนไนเซชั่นที่ต่างกัน




1.2 โฟโตไอออไนเซชั่น (Photoionization)
                ในปี ค.ศ. 1887 Heinrich Hertz ได้ทดลองเกี่ยวกับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าและพบว่าแรงดัน Spark ระหว่าง Spark gap มีค่าต่ำลงเมื่อมีแสงจาก Spark gap อื่นมากระทบที่ผิวของ Spark gap และยังพบว่ารังสี Ultraviolet มีผลในลักษณะเดียวกัน ซึ่งปรากฏการณ์ที่เราฉายแสง (UV) ลงบนผิว
Cathode นี้เราเรียกว่า Photoionization พลังงาน Photon ที่ทำให้ molecule ของก๊าซเกิด ไอออไนเซชั่นขึ้นได้ดังนี้คือ
                                                                                                                (1.3)
หรือ                                                                                        (1.4)
เมื่อ                                   เป็นความถี่ของ Photon                                          (1.5)
 ค่าคงที่ของ Plank =
 ความเร็วของแสง

ความยาวคลื่น
มวลของelectron
 พลังงาน Ionization                                                                              (1.6)
 หรือ Work function
 ความเร็วของ electron
แรงดันไอออไนเซชั่น
เมื่ออะตอมได้รับ Photon จะทำให้เกิดปรากฏการณ์สองอย่างคือ
1. กระตุ้นให้อะตอมมีระดับพลังงานสูงขึ้น (Higher energy  state)
2. การแตกตัวของ electron (direct ionization)
กรณีกลับกันอะตอมหรือ molecule รวมตัวกับ electron หรือกรณีการลดระดับพลังงานจะทำให้เกิดการคาย Photon ออกมาเขียนได้ดังสมการ
                                                                                 (1.7)
กรณีที่   เมื่อชนกันกับอะตอมทำให้อะตอมมีระดับพลังงานสูงขึ้น ซึ่งเขียนเป็นสมการได้ดังนี้                                                                                           (1.8)
เมื่อ A   เป็นอะตอมที่ถูก electron ที่มีความเร็วหรือมีพลังงาน KE ชน
A+  เป็นอะตอมที่มีระดับพลังงานสูงขึ้นเมื่อถูกชนด้วย electron
อะตอมที่ A+ จะกลับคืนสู่สภาพภายในเวลา  วินาที
กรณีที่   อะตอม A+  จะคายพลังงาน Photon ซึ่งอาจจะไอออไนซ์อะตอมอื่นซึ่งมีพลังงานต่ำกว่า Photon พลังงานนี้จะส่งเสริมให้อะตอมปล่อย electron ออกมา ดังสมการ
                                                                                            (1.9)
สมการที่ 1.9 นี้เราเรียกว่า  Photoionization

1.3 ไอออไนเซชั่นเนื่องจากความร้อน (Thermal Ionization)
                ถ้าให้ความร้อนกับก๊าซจนมีอุณหภูมิสูงมากพอ อะตอมที่เป็นกลางจะดูดกลืนพลังงานความร้อนเข้าไปสะสมไว้ภายใน ทำให้อนุภาคอะตอมเกิดการสั่นและจะปลดปล่อยพลังงานออกมาในที่สุด การเกิด electron อิสระอาจจะเกิดจากหลายสาเหตุในเวลาเดียวกันคือ
1. การชนกันของ molecule   molecule ของก๊าซเมื่อมีอุณหภูมิสูงขึ้นจะเคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูงในทุกทิศทาง  จึงเกิดการชนกันระหว่าง molecule
2.รังสีความร้อน จะทำให้ molecule ของก๊าซขจัด electron วงนอกสุดออกมาเป็น electron อิสระ
3. การชนกันระหว่าง electron กับ molecule อิสระ ซึ่งจะเกิดขึ้นขณะที่ความร้อนสูงมากๆ electron  อิสระจะเคลื่อนที่ในทุกทิศทางทำให้เกิดการชนกันขึ้น
สำหรับการเกิดประจุเมื่อเกิด electron อิสระขณะที่เพิ่มอุณหภูมิสามารถเขียนเป็นสมการได้ดังนี้
                                                                                              (1.10)
เมื่อ A   เป็นอะตอมที่เป็นกลาง
A+  เป็นอะตอมที่เกิดไอออไนซ์
   เป็น electron ที่หลุดจากอะตอม A
 เป็นพลังงานไอออไนเซชั่น

 

1.4 การชนกันของ Metastable กับ อะตอม
                ในการอะตอมที่ถูก excited ในสารบางอย่างเช่นก๊าชเฉื่อย อาจนานเป็นวินาทีสภาวะของอะตอมที่เป็นแบบนี้เรารียกว่าอยู่ในสภาวะ Metastable เราแทนอะตอมด้วยสัญลักษณ์               นี้ว่า  Metastable อะตอม
ถ้าพลังงานของ  ของอะตอม B เมื่อเกิดการชนกันสามารถเขียนปฎิกิริยาได้ดังสมการ
                                                                                  (1.11)
ถ้าพลังงานของ  ของอะตอม B และเกิดการชนกันสามารถเขียนเป็นสมการได้ดังนี้
                                                                                            (1.12)
การเกิดไอออไนเซชั่นจาก metastable อาจเกิดขึ้นได้หลายทาง เมื่อ  ของ metastable มีค่ามากกว่า vi ของอะตอม A
                                                                     (1.13)
หรือ                                                                                 (1.14)
เมื่อ                                                                                     (1.15)
Photon ที่ปล่อยออกมาในปฎิกิริยาท้ายสุดนี้  มีพลังงานต่ำมากเกินไปที่จะทำให้เกิด ไอออไนเซชั่นในก๊าซ แต่พลังงานส่วนนี้อาจทำให้ electron หลุดออกจาก cathode ได้ เมื่อเกิดการชนกันระหว่าง photon กับขั้วลบ ปรากฎการณ์ของ metastable นี้ต้องใช้เวลานานภายหลังการ excitation ระยะเวลาที่เริ่มเกิดประจุตัวแรกจนกระทั่งเกิดการ discharge นี้ เราเรียกว่า เวลาเฉื่อย (Time Lag)

1.5 การหลุดของ electron (electron detachment)
                ภายใต้สภาวะการณ์สนามไฟฟ้าสูงๆ electron อาจหลุดออกจาก Neutral อะตอมได้ และ electron อิสระจะอยู่กันเป็นกลุ่มของ electron  ที่มีความหนาแน่นสูงๆ ทำให้ electron แต่ละตัวพยายามที่จะหลุดออกจากกลุ่ม (detachment) ซึ่งกระบวนการนี้ใช้ในการอธิบาย การเกิด Negative corona discharge  การ Ionization ของอากาศบริเวณผิวที่มีความเข้มของสนามไฟฟ้าสูงๆเช่นบริเวณปลายแหลม อากาศจะแตกตัวเป็นกลุ่มของ electron อิสระ electron เหล่านี้จะพยายามพลักกันให้หลุดออกจากกลุ่มทำให้อากาศบริเวณรอบๆที่เป็น Neutral เข้ามาแทนที่

2. การสูญเสียไอออน (Ion  loss)ขบวนการสูญเสียไอออนนี้ หมายถึง การรวมตัวของ electron หรือ อิออนลบเข้าอิออนบวก  เพื่อให้อะตอมเป็นกลางหรือสูญเสีย electron ไปแทนที่จะเกิดการไอออไนซ์เซชั่น ขบวนการนี้จะตรงข้ามกับขบวนการไอออไนซ์เซชั่น ขบวนการสูญเสีย อิออนนี้มีอยู่ 3 แบบคือ

- การเกาะกันของ  electron กับอะตอม (Electron attachment)
- การรวมตัวกัน (Recombination)
- การแผ่กระจาย (Diffusion)

2.1 การเกาะกันของ electron กับอะตอม (Electron attachment)
ในก๊าชบางอย่างการชนกันระหว่าง electron หรือ molecule บางชนิด electron  สามารถรวมกับอะตอมเป็นกลางหรือ Molecule ทำให้ได้อิออนลบ ก๊าซที่สามารถดึงดูดประจุและยังคงสภาวะเดิมได้แก่   และ  มวลของก๊าซเหล่านี้จะดึงดูดประจุลบไว้ ทำให้มวลเพิ่มขึ้น ทำให้ประจุเคลื่อนที่ได้ช้าลงทำให้เกิดการ Discharge ได้ยากขึ้น ทำให้มีค่า Dielectric Strengh สูงฃึ้น (Higher Dielectric Stregth)
การเกิดไอออนลบเกิดขึ้นได้โดยทางตรงหรือทางอ้อมตามสมการนี้
                                                             (1.16)
หรือ                                            (1.17)

2.2 การรวมตัวกัน (Recombination)
                ขบวนการรวมตัวกันนี้จะตรงข้ามกับ Photoionization เมื่ออนุภาคที่มีประจุบวกและลบเกิดขึ้นจากการรวมตัวกัน พลังงานหลังการรวมตัวกันจะถูกปล่อยออกมาในรูปการแผ่รังสีของ Quantum เราเรียกกลุ่มพลังงานที่ออกมาว่า Quanta ซึ่งแต่ละกลุ่มมีค่า h ปฏิกริยารวมตัวกันเขียนเป็นสมการได้ดังนี้
                                                                               (1.18)
เมื่อ   เป็นไอออนบวก
  เป็น electron หรือ ไอออนลบ
   เป็นพลังงาน photon

2.3การแผ่กระจาย (Diffusion)
ในการแผ่กระจายจะมีนิยามที่เกี่ยวข้องคือ mobility
                      Mobility(K)                                                                    (1.19)
เมื่อ เป็นความเร็วเฉลี่ยของไอออน (Average driffviocity)
 เป็นสนามไฟฟ้า
สำหรับค่า K ที่ 0?C 760 mm Hg เราให้สัญลักษณ์แทน

                                                                                         (1.20)

                  มีหน่วยเป็น
การแผ่กระจายจะหมายถึงการที่ไอออนเคลื่อนที่ผ่านก๊าซ
ภายสภาวะของสนามไฟฟ้าที่มีความเร็วเฉลี่ยแปรผันตรงกับความเข้มของสนามแต่แปรผกผันกับความหนาแน่นของก๊าซ สำหรับการแผ่กระจายจะเกิดการ Discharge ที่มีการเคลื่อนที่ของไอออนจากส่วนที่มีความหนาแน่นมากไปสู่ส่วนที่มีความหนาแน่นน้อยหรือซึ่งจะเกิดขึ้นในกรณี ความหนาแน่นของไอออนเป็นแบบไม่สม่ำเสมอ

3. ขบวนการคาโทด (Cathod Process)
เนื่องจาก electrode เป็นแหล่งจ่าย electron สำหรับเป็นตัวเริ่มในการไอออนไนเซชั่นในหลอดก๊าซ Discharge แต่ electron เหล่านั้นถูกอิทธิพลของไฟฟ้าสถิตย์ (electrostatic force) บังคับไม่ให้ออกจากผิวดังนั้นเราจึงต้องใช้พลังงานที่เรียกว่า work function  จำนวนหนึ่งที่มีค่าเท่ากับพลังงานของไฟฟ้าสถิตย์ เพื่อให้ electron หลุดออกจาก electrode ได้ work function ของสารแต่ละชนิดที่นำมาทำเป็น electrode จะมีคุณสมบัติต่างกันแล้วแต่วัสดุที่ใช้ การที่จะทำให้ electron หลุดออกจาก electrode มีวิธีการดังนี้

- การปล่อยเนื่องจาก Photon (Photoelectric emission )

- การปล่อยเนื่องจากการชนกันของไอออนบวกกับอะตอมที่ถูกกระตุ้น (electron emission by positive ion and excited atom impact)

- การปล่อยเนื่องจากสนาม (field emission)

- การปล่อยเนื่องจากความร้อน(Thermonic emission)

3.1 การปล่อยเนื่องจาก Photon (Photoelectric emission )
        เมื่อ Photon ตกกระทบที่ผิวหน้าของคาโทด (Cathode) ของสารที่ใช้ทำจะมีผลดังนี้คือ
กรณีที่ 1
                        Photon มีพลังงานมากกว่าหรือเท่ากับ work function  จะทำให้ electron หลุดจากผิว Cathode ได้
กรณีที่ 2
Photon มีพลังงานมากกว่า จะได้ electron หลุดออกมามีพลังงาน  ดังสมการ                                                                                                         (1.21)
เมื่อ  เป็นมวลของ electron
   เป็นความเร็วของ electron
                                                                                                   (1.22)
=  เป็นพลังงานที่ทำให้ electron หลุดออกมาพอดี
3.2 การปล่อยเนื่องจากการชนกันของไอออนบวกกับอะตอมที่ถูกกระตุ้น (electron emission by positive ion and excited atom impact)
จาก Metastable หรือการกระแทกของไอออนบวก electron อาจจะถูกปล่อยจากผิวของโลหะได้ วิธีการที่ทำให้เกิดการปล่อย electron นั้น ต้องทำให้ไอออนที่มากระทบ electron หลุดออกมาสองตัว เพื่อให้ electron ตัวหนึ่งทำให้ไอออนเป็นกลาง ส่วนอีกตัวจะหลุดออกจากผิวโลหะ ปฎิกริยาดังกล่าวเขียนเป็นสมการได้คือ

เมื่อ   เป็นศักย์ดาไฟฟ้าที่เทียบเท่าพลังงาน ของอิออน
  เป็นศักย์ดาไฟฟ้าที่เทียบเท่าพลังงาน  ของอิออน
เป็น work function ซึ่งพลังงานที่ต่ำสุดในการปลดปล่อย
electron จะมีค่าเป็นสองเท่าของ work function

3.3 การปล่อยเนื่องจากสนาม (Field Emission)
ถ้าเราให้สนามไฟฟ้าสถิตสูงๆ แก่ Cathode Electron อาจถูกดึงออกจากผิวของโลหะได้ เช่น สนามไฟฟ้าทำให้เกิดกระแส 2-3 A จากแรงดัน  107-108 Volt/cm   กับโลหะที่มี work function 4.5 ev
Fowler และ Nordheim ได้พัฒนาสมการโดยใช้พื้นฐานของทฤษฎี Wave mechanics ได้สมการดังนี้
                                                                       (1.23)

เมื่อ                                     

                                                       

  เป็นประจุของ electron
  เป็น Plank’s Constant
 เป็นมวลของ electron
   เป็นจำนวนของ free electron /cm3
   เป็น work function ของผิวโลหะ
จากสมการ 1.23 เขียนใหม่ได้เป็น
                                                                                        (1.24)

                สมการที่ 1.24 ใช้ทำนายว่ากระแสจะเพิ่มมากขึ้นประมาณเป็นแบบ Exponential ที่เป็นลบกับ D/E

3.4 การปล่อยเนื่องจากความร้อน  ( Thermonic  Emission)
ในโลหะที่มีอุณหภูมิสูงๆ เช่นที่ 1500-2500 ?C อุณหภูมิสูงๆนี้ทำให้เกิดการปล่อย electron ออกมาได้ ถ้า electron ที่อยู่ใกล้ผิวโลหะมี พลังงานมากกว่า Potential barier หรือที่เราเรียกว่า Sureface work function การปล่อยกระแสจะสัมพันธ์กับอุณหภูมิ (T) Richasdson-Dushman ได้ความสัมพันธ์ของ Current Density J มีค่าดังนี้                                                           (1.25)

= หน่วยเป็น A/m2
เมื่อ       เป็นประจุ electron
  เป็นมวลของ electron
   เป็นค่า Planck’s Constant
   เป็น Boltzman’s Constant
   เป็น Absolute temperature
    เป็น Sureface work function

ถ้าเราให้                                                                               (1.26)

    สมการที่ 1.25 เขียนใหม่ได้เป็น

                                                                                    (1.27)

                ถ้าเราแทนค่าคงที่ m,e,k และ h ในสมการที่ 1.26 เราจะได้ค่า
                                                                 

Copyright ©2005 Thana Kaewtapee