1. Загальні процеси формування
Іони повітря створюються головним чином іонізацією однокомпонентних молекул повітря і наступними процесами взаємодії між електронами, іонами і / або різними молекулами або атомами повітря.
Молекули повітря іонізуються ядерним випромінюванням (від випромінювання Ra, Th і AЕ і їх продуктами розпаду, розподіленими в повітрі, з природних радіоактивних елементів у грунті) і, крім того, космічної радіацією. В процесі іонізації, крім того, звільняються електрони. Більш ніж 50% енергії випромінювання, що поглинається повітрям, споживається не іонізацією, а вторинними процесами, такими як збудження атомів і молекул і дисоціацією молекул в нейтральних або збуджених фрагментах.
Приєднанням електронів до нейтральних молекул високого електронного подоби, таким як кисень, формуються негативні іони. Іони і збуджені атоми можуть викликати хімічні реакції, наприклад, два збуджених атома можуть об'єднатися в молекулу, яка, однак, буде негайно іонізована звільненим збудженням і зв'язує енергією. Радіація також може створити нові хімічні компоненти в повітрі. Так, добре відомий процес формування озону і різних азотних окислів.
Позитивні та негативні мономолекулярні іони виходять в результаті цих процесів, є об'єктом подальшої взаємодії з нейтральними молекулами повітря. Позитивні іони можуть переносити свій заряд молекулам з нижчим потенціалом іонізації. Аналогічно молекули болев високої електронної однорідності можуть забирати надлишок електронів від негативних іонів. Більш того, електричні сили між зарядом мономолекулярного іона і вводяться або безперервними дипольними моментами нейтральних молекул можуть привести до приєднання таких молекул до іонів. Полярні молекули або молекули з високим ступенем можливості поляризації особливо зручні для такого "формування груп". Через високу швидкості зіткнення між іонами і нейтральними молекулами в повітрі (близько 5х109 за секунду) і їх низької природної концентрації (менше ніж один іон на 10 молекул повітря), мабуть, можливо також і те, що гази з дуже низькою концентрацією в повітрі можуть вносити свій вклад в композицію малих атмосферних іонів.
Результат дії малих іонів нейтралізується деякими процесами анігіляції: рекомбинацией на повітрі, розрядженням на твердих поверхнях і приєднанням до зважених частинкам в середовищі, що утворює повітря, їх великою іонам. Звідси середній час життя малих атмосферних іонів обмежено і оцінюється в діапазоні від декількох секунд до декількох хвилин в залежності від різниці в чистоті повітря.
2. Аналіз іонів в газах, зокрема в повітрі
Атоми і молекули, що формують іони в газах, можуть бути ідентифіковані головним чином за допомогою спостереження їх мас і їх мобільності.
За допомогою мас-спектрометрів. За масовому числу іонів, створених при відносно високому тиску, але аналізованих при низькому тиску в мас-спектрометрі, висновки про композиції іонів, які спостерігаються в повітрі, можуть бути також зроблені. Таким чином, наступні мономолекулярні іони, створювані при тиску від 10 мм рт. ст. до 0,5 мм рт. ст., ідентифікуються в повітрі і його компонентах (розряд газу або електронний імпульсний джерело іонів).
Найчастіше такі пари будуть з'являтися не тільки при низьких тисках, згаданих вище, але також в атмосферному повітрі, проте тільки незабаром після проходу іонізуючої частинки. Іншими словами, композиція може бути змінена освітою груп, хімічними реакціями і обміном заряду (процес старіння). Це показано вимірами Лахра на іонах, введених в газовий розряд при 0,1 - 0,5 мм рт. ст. і досягненням високого вакууму в аналізаторі після приблизно 105 зіткнень з нейтральними молекулами всередині камери джерела іонів. В одному з експериментів Лахр виявив (в абсолютно не висушеному повітрі), що процентний вміст іонів Н2О+ щодо інших іонів було значно вище, ніж утримання нейтральних молекул H2O щодо інших молекул. Це вказує на те, що іони Н2О формуються з інших первинних іонів обміном зарядів. В азоті іони N3+ і N4+, очевидно, виникають також з вторинних повторних взаємодій іон-молекули, для них це знайдено тільки при більш високих тисках. Аналогічно поява іонів NO+ і Н2О+ в спектрі маси повітря є прикладом формування іонів у вторинних процесах. Однак іони з масовими числами між 60 і 200, як повідомляв Лахр в своїй першій статті в 1931 році, можна було б знайти без поліпшення умов експерименту.
Великі позитивні іонні комплекси були створені Інграма і Гомером (1955) в парах води 10-3 мм рт. ст. при використанні іонного джерела випромінювання поля. Композиція цих комплексів, за припущенням Інграма і Гомера, відповідає (H2O)n+ при n = 1..4, а, по Бекею (H3O)n+ (H2O)n при n = 1..3 для кімнатної температури, а при низькій температурі н може мати значення аж до 10.
Бекей, однак, вказує, що ці іони в більшості своїй виникають в тонкій плівці води в напрямку емісії поля і що вони не формуються приєднанням молекул H2O у водяному парі. Проте ці спостереження демонструють, що великі комплекси іонів дійсно існують і можуть спостерігатися в мас-спектрометрах.
3. Моделі структури малих атмосферних іонів
Спостереження над масою і мобільністю іонів в повітрі, чистих газах і сумішах газів, стисло викладені вище, можуть привести в результаті до наступної концепції композиції "малих" атмосферних іонів. Позитивними іонами (в їх первинному стані) в сухому повітря найбільш імовірно є іони О2+. Вони передають свій заряд молекулам води, завжди наявним навіть в "сухому" повітрі, що створює іони H2O+, до яких під час процесу старіння можуть приєднуватися нейтральні молекули води.
Оцінки розміру груп цих "малих" іонів лежать в діапазоні від двох до тридцяти молекул. Завдяки біологічному впливу CO2 на позитивно концентрований повітря здається можливим, що крім того високо поляризовані молекули CO2 можуть бути приєднані до іонів H2O+. Подібного невідомо про негативні іонах. Вони подібні O2- або іонам Ейбера О3- з приєднаними нейтральними молекулами води після старенія.рісунок 1 дипольний момент.
Рисунок 1 демонструє плоску модель "малого" негативного атмосферного іона зі структурою (H2O)n. Молекула води з дипольниммоментом (по Паулинг). Модель малого ("первинного") мультимолекулярних атмосферного іона парів води, що складається з позитивного іона H2O+ з трьома приєднаними нейтральними поляризованими молекулами H2O:
На малюнку 2 зображена можлива структура "середнього" атмосферного іона, сформованого приєднанням "малого іона" до ядер.
Модель середнього ("вторинного") мультимолекулярних атмосферного іона: один первинний іон приєднаний до великих ядрам дипольними силами. Масове число М має порядок 105, радіус R порядку 5х10-7 см = 0,5 мкм
НПФ "ЯНТАР"
Повне або часткове цитування ДАНОЇ СТАТТІ ЗАБОРОНЕНО