1. Общие процессы формирования
Ионы воздуха создаются главным образом ионизацией однокомпонентных молекул воздуха и последующими процессами взаимодействия между электронами, ионами и/или различными молекулами или атомами воздуха.
Молекулы воздуха ионизируются ядерным излучением (от излучения Ra, Th и Aе и их продуктами распада, распределенными в воздухе, из природных радиоактивных элементов в почве) и, кроме того, космической радиацией. В процессе ионизации, кроме того, освобождаются электроны. Более чем 50% энергии излучения, поглощаемого воздухом, потребляется не ионизацией, а вторичными процессами, такими как возбуждение атомов и молекул и диссоциацией молекул в нейтральных или возбужденных фрагментах.
Присоединением электронов к нейтральным молекулам высокого электронного подобия, таким как кислород, формируются отрицательные ионы. Ионы и возбужденные атомы могут вызывать химические реакции, например, два возбужденных атома могут объединиться в молекулу, которая, однако, будет немедленно ионизирована освобожденным возбуждением и связывающей энергией. Радиация также может создать новые химические компоненты в воздухе. Так, хорошо известен процесс формирования озона и различных азотных окислов.
Положительные и отрицательные мономолекулярные ионы получающиеся в результате этих процессов, являются объектом дальнейшего взаимодействия с нейтральными молекулами воздуха. Положительные ионы могут переносить свой заряд молекулам с более низким потенциалом ионизации. Аналогично молекулы болев высокой электронной однородности могут забирать излишек электронов от отрицательных ионов. Более того, электрические силы между зарядом мономолекулярного иона и вводимыми или непрерывными дипольными моментами нейтральных молекул могут привести к присоединению таких молекул к ионам. Полярные молекулы или молекулы с высокой степенью возможности поляризации особенно удобны для такого "формирования групп". Из-за высокой скорости столкновения между ионами и нейтральными молекулами в воздухе (около 5х109 за секунду) и их низкой естественной концентрации (меньше чем один ион на 10 молекул воздуха), по-видимому, возможно также и то, что газы с очень низкой концентрацией в воздухе могут вносить свой вклад в композицию малых атмосферных ионов.
Результат действия малых ионов нейтрализуется некоторыми процессами аннигиляции: рекомбинацией на воздухе, разряжением на твердых поверхностях и присоединением к взвешенным частицам в среде, образующей воздух, их большим ионам. Отсюда среднее время жизни малых атмосферных ионов ограничено и оценивается в диапазоне от нескольких секунд до нескольких минут в зависимости от разницы в чистоте воздуха.
2. Анализ ионов в газах, в частности в воздухе
Атомы и молекулы, формирующие ионы в газах, могут быть идентифицированы главным образом посредством наблюдения их масс и их мобильности.
При помощи масс-спектрометров. По массовому числу ионов, созданных при относительно высоком давлении, но анализируемых при низком давлении в масс-спектрометре, выводы о композиции ионов, наблюдаемых в воздухе, могут быть также сделаны. Таким образом, следующие мономолекулярные ионы, создаваемые при давлении от 10 мм рт. ст. до 0,5 мм рт. ст., идентифицируются в воздухе и его компонентах (разряд газа или электронный импульсный источник ионов).
Чаще всего такие пары будут появляться не только при низких давлениях, упомянутых выше, но также в атмосферном воздухе, однако только вскоре после прохода ионизирующей частицы. Другими словами, композиция может быть изменена образованием групп, химическими реакциями и обменом заряда (процесс старения). Это показано измерениями Лахра на ионах, введенных в газовый разряд при 0,1 - 0,5 мм рт. ст. и достижением высокого вакуума в анализаторе после приблизительно 105 столкновений с нейтральными молекулами внутри камеры источника ионов. В одном из экспериментов Лахр обнаружил (в совершенно не высушенном воздухе), что процентное содержание ионов H2O+ относительно других ионов было значительно выше, чем содержание нейтральных молекул H2O относительно других молекул. Это указывает на то, что ионы H2O формируются из других первичных ионов обменом зарядов. В азоте ионы N3+ и N4+ , по-видимому, возникают также из вторичных повторных взаимодействий ион-молекулы, для них это найдено только при более высоких давлениях. Аналогично появление ионов NO+ и N2O+ в спектре массы воздуха является примером формирования ионов во вторичных процессах. Однако ионы с массовыми числами между 60 и 200, как сообщал Лахр в своей первой статье в 1931 году, можно было бы найти без улучшения условий эксперимента.
Большие положительные ионные комплексы были созданы Инграмом и Гомером (1955) в парах воды 10-3 мм рт. ст. при использовании ионного источника излучения поля. Композиция этих комплексов, по предположению Инграма и Гомера, соответствует (H2O)n+ при n=1..4, а, по Бекею (H3O)n+(H2O)n при n=1..3 для комнатной температуры, а при низкой температуре n может иметь значение вплоть до 10.
Бекей, однако, указывает, что эти ионы в большинстве своем возникают в тонкой пленке воды в направлении эмиссии поля и что они не формируются присоединением молекул H2O в водяном паре. Тем не менее эти наблюдения демонстрируют, что большие комплексы ионов действительно существуют и могут наблюдаться в масс-спектрометрах.
3. Модели структуры малых атмосферных ионов
Наблюдения над массой и мобильностью ионов в воздухе, чистых газах и смесях газов, кратко изложенные выше, могут привести в результате к следующей концепции композиции "малых" атмосферных ионов. Положительными ионами (в их первичном состоянии) в сухом воздуха наиболее вероятно являются ионы О2+. Они передают свой заряд молекулам воды, всегда имеющимся даже в "сухом" воздухе, что создает ионы H2O+ , к которым во время процесса старения могут присоединяться нейтральные молекулы воды.
Оценки размера групп этих "малых" ионов лежат в диапазоне от двух до тридцати молекул. Благодаря биологическому влиянию CO2 на положительно концентрированный воздух кажется возможным, что кроме того высоко поляризованные молекулы CO2 могут быть присоединены к ионам H2O+. Подобного неизвестно об отрицательных ионах. Они подобны O2- или ионам Эйбера О3- с присоединенными нейтральными молекулами воды после старения.
Рисунок 1 демонстрирует плоскую модель "малого" отрицательного атмосферного иона со структурой (H2O)n-. Молекула воды с дипольным моментом (по Паулингу). Модель малого ("первичного") мультимолекулярного атмосферного иона паров воды, состоящего из положительного иона H2O+ с тремя присоединенными нейтральными поляризованными молекулами H2O:
На рисунке 2 изображена возможная структура "среднего" атмосферного иона, сформированного присоединением "малого иона" к ядрам.
Модель среднего ("вторичного") мультимолекулярного атмосферного иона: один первичный ион присоединен к большим ядрам дипольными силами. Массовое число М имеет порядок 105, радиус r порядка 5х10-7 см = 0,5 мкм
НПФ "ЯНТАРЬ" (www.ionization.ru)
ПОЛНОЕ ИЛИ ЧАСТИЧНОЕ ЦИТИРОВАНИЕ ДАННОЙ СТАТЬИ ЗАПРЕЩЕНО