В результате обсуждения структуры аэроионов вырисовывается картина, которая заставляет предполагать наличие относительно плотного скопления, молекулы которого только кратковременно присоединяются к положительно или отрицательно ионизированной центральной молекуле и в результате процессов соударений постоянно заменяются другими молекулами. Количество молекул, которое в каждый момент времени принимает участие в процессе обмена, составляет для положительных ионов максимум двенадцать, а для отрицательных ионов максимум пять.
Для газовых смесей, следовательно и для атмосферного воздуха можно предполагать, что легкие ионы представляют собой смесь газов, состав которых в результате процессов обмена постоянно изменяется. Различная степень поляризуемости, энергии связи и относительной распространенности отдельных газовых компонент обусловливают только среднее значение времени пребывания (порядок величины в зависимости от сорта молекул: от 10-8 до 10-6 сек) и тем самым среднее число молекул определенного сорта, которые в какой-либо момент времени принадлежат легкому иону. За счет водородных связей, которые, например, могут возникнуть между молекулами водяного пара, среднее время пребывания молекулы водяного пара в составе легкого иона повышается от 10-6 сек до 10-4 - 10-3 сек. Для случая особенно стабильных комплексов H3O+(H2O)n напротив, время пребывания молекулы водяного пара в системе иона, по всей вероятности равно времени жизни иона.
Возможная геометрическая структура легких ионов. Если провести исследование возможных геометрических форм таких плотноупакованных молекулярных сгустков, то окажется, как это уже показал Ланжевен, что положительные и отрицательные ионы будут иметь две существенно различные структуры
Для случая положительного иона (положительный) заряд находится в центре принадлежащего иону атома. Около такого атома или молекулы могут расположиться со всех сторон в виде мономолекулярного слоя, как максимум, около 12 нейтральных мономолекулярныхполяризуемых молекул. Расстояние a (предполагая шаровидную форму) расположившихся молекул от центра центральной молекулы при этом будет составлять от 3,6 до 4,6 A (рис. A). Вместе с центральной ионизированной молекулой это как раз и составит 13 молекул на один ион.
Таким же образом можно рассмотреть также и отрицательные ионы. Здесь носитель отрицательного заряда - электрон, находится на оболочке атома (т.е. на периферии), входящего в состав иона. Около такого атома (или молекулы) может прежде всего разместиться один, а затем следующие 5 молекул и при том оказаться в непосредственном соприкосновении с ионизированной молекулой. - (рис. B). Это в итоге дает 7 молекул на один ион. Расстояния, которые при этом образуются между отрицательным зарядом и центрами присоединившихся молекул будут составлять не более 4,0 A.
Вопрос о том, возможно ли вообще с энергетической точки зрения такое расположение молекул около ионизированной центральной молекулы и могут ли кроме того другие молекулы быть удержаны в виде второго шарового слоя?
На рисунке представлен моментальный снимок ионной структуры, которая в силу процессов столкновений постоянно меняется с высокой частотой. Если принять, что только одна десятая молекул с достаточной кинетической энергией в процессе соударений с ионом будет способствовать обмену молекул, то для молекул O2 и N2 среднее время пребывания в составе иона будет порядка 0,01 мкс, а для молекул H2Oсреднее время пребывания в составе иона окажется равным примерно 3 мкс.
В связи с этим аргумент Леба, который он выдвигает против возможности существования прочного молекулярного образования представляется не обоснованным. Согласно Леба, существование такой молекулярной грозди в газе невозможно по причине того, что существование подобного образования ионизированный газ приведет в состояние с более низким значением энтропии, следовательно в состояние более высокого порядка. Однако, согласно основных законов термодинамики в изолированной физической системе энтропия всегда возрастает. Применительно к газу ионизированному при атмосферном давлении, это должно означать, что хотя ионы и могут образовывать кратковременные молекулярные гроздья, однако в силу закона возрастания энтропии они неизбежно должны немедленно распадаться на свои составные молекулярные части. Этот аргумент не является убедительным по той причине, что ионизацию газа всегда следует трактовать как внешнее воздействие на рассматриваемую физическую систему, когда закон возрастания энтропии теряет свою силу. Так как ионы в газе не возникают <сами по себе>, а для их образования всегда необходим внешний источник энергии, то ионизация газа в коей мере не противоречит закону возрастания энтропии.
В целом из проведенного анализа, особенно принимая во внимание силы поляризации при образовании легких ионов, вырисовывается следующая приблизительная картина: положительные легкие ионы состоят из положительно ионизированной центральной молекулы, окруженной относительно плотным слоем нейтральных поляризованных молекул. Однако эти молекулы не имеют прочной связи с центральной молекулой, а касаются ее только кратковременно и в результате процессов соударений непрерывно заменяются другими молекулами. Зона, в пределах которой происходит этот быстрый обмен молекулами, представляет собой примерно сферу, в центре которой находится ионизированная молекула, а радиус сферы примерно равен учетверенному радиусу ионизированной молекулы. Количество молекул, принимающих в каждый момент времени участие в процессе обмена, составляет дня положительных ионов максимум двенадцать. Отрицательные легкие ионы состоят из двух соприкасающихся молекул и обладая относительно большой энергией связи продолжительное время находятся в состоянии взаимного соприкосновения. Одна из них, благодаря захвату электрона, является отрицательно ионизированной центральной молекулой то время, как другая представляет собой нейтральную поляризованную молекулу. Эта пара окружена другими молекулами, которые однако не образуют с ними прочного соединения, а только кратковременно касаются молекулярной пары и в результате процессов соударений постоянно заменяются другими молекулами. Зона, в пределах которой происходит этот обмен молекулами примерно имеет форму тора (кольца), средняя плоскость которого перпендикулярна оси молекулярной пары. Число молекул, принимающих в любой момент времени участие в процессах обмена, составляет для отрицательных ионов максимум пять. Отсюда находит свое объяснение постоянно получающаяся в процессе измерений при атмосферном давлении более высокая подвижность отрицательных ионов по сравнению с подвижностью положительных ионов.
Продолжение статьи >>
НПФ "ЯНТАРЬ" (www.ionization.ru)
ПОЛНОЕ ИЛИ ЧАСТИЧНОЕ ЦИТИРОВАНИЕ ДАННОЙ СТАТЬИ ЗАПРЕЩЕНО