БСЭ. Ионизацион. камера - Ионообмен. смолы
Начало Вверх

ИОНИЗАЦИОННАЯ КАМЕРА, прибор для исследования и регистрации ядерных частиц и излучений, действие к-рого основано на способности быстрых заряженных частиц вызывать ионизацию газа. И. к. представляет собой воздушный или газовый электрич. конденсатор, к электродам к-рого приложена разность потенциалов V. При попадании ионизирующих частиц в пространство между электродами там образуются электроны и ионы газа, к-рые, перемещаясь в электрич. поле, собираются на электродах и фиксируются регистрирующей аппаратурой. Наиболее простой является И. к. с параллельными плоскими электродами (дисками). Диаметр диска в неск. раз превышает расстояние между ними. В цилиндрич. И. к. электроды - два коаксиальных цилиндра, один из к-рых заземлён и служит корпусом И. к. (рис. 1). Сферич. И. к. состоит из 2 концентрич. сфер (иногда внутр. электрод - стержень).

Различают И. к. токовые и импульсные. В токовых И. к. гальванометром измеряется сила тока I, создаваемого электронами и ионами (рис. 2). Зависимость I от V (рис. 3) - вольтамперная характеристика И. к. - имеет горизонтальный участок AB, где ток не зависит от напряжения (ток насыщения I0). Это соответствует полному собиранию на электродах И. к. всех образовавшихся электронов и ионов. Участок. AB обычно является рабочей областью И. к. Токовые И. к. дают сведения об общем интегральном количестве ионов, образовавшихся в 1 сек. Они обычно используются для измерения интенсивности излучений и для дозиметрич. измерений (см. Дозиметрические приборы). T. к. ионизационные токи в И. к. обычно малы (10-10 - 10-15 а), то они усиливаются с помощью усилителей постоянного тока.

1026-1-1.jpg

Рис. 1. Сечение цилиндрической ионизационной камеры : 1 - цилиндрич. корпус камеры, служащий отрицательным электродом; 2 - цилиндрич. стержень, служащий положительным электродом; 3 - изоляторы.

1026-1-2.jpg

Рис. 2. Схема включения токовой ионизационной камеры: V - напряжение на электродах камеры; G - гальванометр, измеряющий ионизационный ток.

1026-1-3.jpg Рис. 3. Вольтампернал характеристика ионизационной камеры.

Рис. 4. Схема включения импульсной ионизационной камеры: С - ёмкость собирающего электрода; R - сопротивление.

1026-1-4.jpg

В импульсных И. к. регистрируются и измеряются импульсы напряжения, к-рые возникают на сопротивлении R (рис, 4) при протекании по нему ионизац. тока, вызванного прохождением каждой частицы. Амплитуда и длительность импульсов зависят от величины R, а также от ёмкости С (рис. 4). Для импульсной И. к., работающей в области тока насыщения, амплитуда импульса пропорциональна энергии 1026-1-5.jpg, потерянной частицей: в объёме И. к. Обычно объектом исследования для импульсных И. к. являются сильно ионизирующие короткопробежные частицы, способные полностью затормозиться в межэлектродном пространстве (a-частицы, осколки делящихся ядер). В этом случае величина импульса И. к. пропорциональна полной энергии частицы и распределение импульсов по амплитудам воспроизводит распределение частиц по энергиям, т. е. даёт энергетич. спектр частиц. Важная характеристика импульсной И. к. - её разрешающая способность, т. е. точность измерения энергии отд. частицы. Для ct-частиц с энергией 5 Мэв разрешающая способность достигает 0,5%.

В импульсном режиме работы важно максимально сократить время т срабатывания И. к. Подбором величины R можно добиться того, чтобы импульсы И. к. соответствовали сбору только электронов, гораздо более подвижных, чем ионы. При; этом удаётся значительно уменьшить длительность импульса и достичь1026-1-6.jpg~ 1 мксек.

Варьируя форму электродов И. к., состав и давление наполняющего её газа, обеспечивают наилучшие условия для регистрации определённого вида излучений. В И. к. для исследования короткопробежных частиц источник помещают внутри камеры или в корпусе делают тонкие входные окошки из слюды или синтетич. материалов. В И. к. для исследования гамма-излучений ионизация обусловлена вторичными электронами, выбитыми из атомов газа или стенок И. к. Чем больше объём И. к., тем больше ионов образуют вторичные электроны. Поэтому для измерения 1026-1-7.jpg-излучений малой интенсивности применяют И. к. большого объёма (неск. л и более).

И. к. может быть использована и для измерений нейтронов. В этом случае ионизация вызывается ядрами отдачи (обычно протонами), создаваемыми быстрыми нейтронами, либо 1026-1-8.jpg-частицами... протонами или гамма-квантами возникающими при захвате медленных нейтронов ядрами 10B, 3He, 113Cd. Эти вещества вводятся в газ или стенки И. к. Для исследования частиц, создающих малую плотность ионизации, используются И. к. с газовым усилением (см. Пропорциональный счётчик). И. к, применяют также при исследовании космич. лучей (см. Калориметр ионизационный).

Лит.: Калашникова В. И., Козодаев M. С., Детекторы элементарных частиц, M., 1966 (Экспериментальные методы ядерной физики, ч. 1); Альфа-, бета-и гамма-спектроскопия, под ред. К. Зигбана, пер. с англ., в. 1, M., 1969.

К. П. Митрофанов.

ИОНИЗАЦИОННЫЙ МАНОМЕТР, ионизационный вакуумметр, манометр, действие к-рого основано на измерения интенсивности ионизации газа, пропорциональной измеряемому давлению. См. Вакуумметры.

ИОНИЗАЦИОННЫЙ ПОТЕНЦИАЛ, потенциал ионизации, физическая величина, определяемая отношением наименьшей энергии, необходимой для однократной ионизации атома (или молекулы), находящегося в основном состоянии, к заряду электрона. И. п.- мера энергии ионизации, к-рая равна работе вырывания электрона из атома или молекулы и характеризует прочность связи электрона в атоме или молекуле. И. п. принято выражать в в, численно он равен энергии ионизации в эв.

Значения И. п. могут быть определены экспериментально при исследовании ионизации, вызываемой электронным ударом (см. Франка - Герца опыт), а также измерением энергии фотонов при фотоионизации. Наиболее точные значения И. п. для атомов и простейших молекул могут быть получены из спектроскопия, данных об уровнях энергии и их схождении к границе ионизации (см. Атом).

Для атомов значения первого И. п., соответствующего удалению наиболее слабо связанного электрона из нейтрального атома в основном состоянии, составляют от З,894 в для Cs до 24,587 в для Не. Они периодически изменяются в зависимости от атомного номера Z (см. рис.). Первые И. п. молекул того же порядка величины, что и для атомов, и обычно составляют от 5 до 15 в. И. п. возрастает при повышении степени ионизации атома. Напр., И. п. для нейтрального атома Li равен 5,392 в (первый И. п.), для Li+-75,638 в (второй И. п.) и для Li++-122,451 в (третий И. п.).


1026-1-9.jpg

Кривая изменения ионизационных потенциалов в зависимости от атомного номера Z. С увеличением Z значение ионизационного потенциала в пределах одного периода возрастает, а в пределах одной группы - падает. Точки на кривой соответствуют химическим элементам.  

Лит.: Шпольский Э. В., Атомная физика, т. 1, 5 изд., M., 1963; Moore Ch. E., lonization potentials and ionization limits derived from the analysis of optical spectra, NSRDS-NBS 34, Wash., 1970.

M. А. Ельяшевич.

ИОНИЗАЦИЯ, образование положит, и отрицат. ионов и свободных электронов из электрически нейтральных атомов и молекул. Термином "И." обозначают как элементарный акт (И. атома, молекулы), так и совокупность множества таких актов (И. газа, жидкости).

1) И. в газе и жидкости. Для разделения нейтрального невозбуждённого атома (молекулы) на две или более заряженные частицы, т. е. для его И., необходимо затратить энергию И. W. Для всех атомов данного элемента (или молекул данного химич. соединения), ионизующихся из осн. состояния одинаковым образом (с образованием одинаковых ионов), энергия И. одинакова. Простейший акт И.- отщепление от атома (молекулы) одного электрона и образование положит, иона. Свойства частицы по отношению к такой И. характеризуют её ионизационным потенциалом, представляющим собой энергию И., делённую на заряд электрона.

Присоединение электронов к нейтральным атомам или молекулам (образование отрицат. иона), в отличие от др. актов И., может сопровождаться как затратой, так и выделением энергии; в последнем случае говорят, что атомы (молекулы) данного вещества обладают сродством к электрону.

Если энергия И. W сообщается ионизуемой частице др. частицей (электроном, атомом или ионом) при их столкновении, то И. наз. ударной. Вероятность ударной И. (характеризуемая эффективным поперечным сечением И.) зависит от рода ионизуемых и бомбардирующих частиц и от кинетич. энергии последних Ек: до нек-рого минимального (порогового) значения Eк эта вероятность равна нулю, при увеличении Як выше порога она вначале быстро возрастает, достигает максимума, а затем убывает (рис. 1). Если энергии, передаваемые ионизуемым частицам в столкновениях, достаточно велики, возможно образование из них, наряду с однозарядными, и многозарядных ионов (многократная И.) (рис. 2). При столкновениях атомов и ионов с атомами может происходить И. не только бомбардируемых, но и бомбардирующих частиц. Это явление известно под названием "обдирки" пучка частиц; налетающие нейтральные атомы, теряя свои электроны, превращаются в ионы, а у налетающих ионов заряд увеличивается. Обратный процесс - захват электронов от ионизуемых частиц налетающими положит, ионами наз. перезарядкой ионов (см. также Столкновения атомные).

В определенных условиях частицы могут ионизоваться и при столкновениях, в к-рых передаётся энергия, меньшая W: сначала атомы (молекулы) возбуждаются ударами, после чего для их И. достаточно сообщить им энергию, равную разности W и энергии возбуждения. T. о., "накопление" необходимой для И. энергии осуществляется в неск. последовательных столкновениях. Подобная И. наз. ступенчатой. Она возможна, если столкновения происходят столь часто, что частица в промежутке между двумя соударениями не успевает потерять энергию, полученную в первом из них (достаточно плотные газы, высокоинтенсивные потоки бомбардирующих частиц). Кроме того, механизм ступенчатой И. очень существен в случаях, когда частицы ионизуемого вещества обладают метастабильными состояниями, т. е. способны относительно долгое время сохранять энергию возбуждения.


1026-1-10.jpg

Рис. 1. Ионизация атомов и молекул водорода электронным ударом: 1 - атомы H; 2 - молекулы На (экспериментальные кривые).


1026-1-11.jpg

Рис. 2. Ионизация аргона ионами Не+.. На оси абсцисс отложена скорость ионизующих частиц. Пунктирные кривые - ионизация аргона электронным ударом.

И. может вызываться не только частицами, налетающими извне. Когда энергия теплового движения атомов (молекул) вещества достаточно велика, они могут ионизовать друг друга при взаимных столкновениях - происходит термическая И. Значит, интенсивности она достигает при темп-рах ~ 103 - 10 К, напр, в пламени, в дуговом разряде, ударных волнах, в звёздных атмосферах. Степень термич. И. газа как функцию его темп-ры и давления можно оценить из термодинамич. соображений (см. Саха формула).

Процессы, в к-рых ионизуемые частицы получают энергию И. от фотонов (квантов электромагнитного излучения), наз. фотоионизацией. Если атом (молекула) невоэбуждён, то энергия ионизующего фотона hv (h - Планка постоянная, v - частота излучения) должна быть не меньше энергии И. W. Для всех атомов и молекул в газах и жидкостях W такова, что этому условию удовлетворяют лишь ультрафиолетовые и более жёсткие фотоны. Однако фотоионизацию наблюдают и при hv<W, напр, при облучении видимым светом. Объясняется это тем, что она может иметь характер ступенчатой И.: сначала поглощение одного фотона возбуждает частицу, после чего взаимодействие со следующим фотоном приводит к И. В отличие от ударной И., вероятность фотоионизации максимальна именно при пороговой энергии фотона hv~=W, а затем с ростом v падает. Макс, сечения фотоионизации в 100-1000 раз меньше, чем при ударной И. Меньшая вероятность компенсируется во многих процессах фотоионизации значит, плотностью потока фотонов, и число актов И. может быть очень большим.

Если разность hv-W относительно невелика, то фотон поглощается в акте И. Фотоны больших энергий (рентгеновские, гамма-кванты), затрачивая при И. часть энергии ЛЕ, изменяют свою частоту на величину дельта v = дельта E/h (см. Комптона эффект). Такие фотоны, проходя через вещество, могут вызвать большое число актов фотоионизации. Разность дельта Е-W (или hv-W при поглощении фотона) превращается в кинетич. энергию продуктов И., в частности свободных электронов, к-рые могут совершать вторичные акты И. (уже ударной).

Большой интерес представляет И. лазерным излучением. Его частота, как правило, недостаточна для того, чтобы поглощение одного фотона вызвало И. Однако чрезвычайно высокая плотность потока фотонов в лазерном пучке делает возможной И., обусловленную одновременным поглощением неск. фотонов (многофотонная И.). Экспериментально в разреженных парах щелочных металлов наблюдалась И. с поглощением 7-9 фотонов. В более плотных газах лазерная И. происходит комбинированным образом. Сначала многофотонная И. освобождает неск. "затравочных" электронов. Они разгоняются полем световой волны, ударно возбуждают атомы, к-рые затем ионизуются светом, но с поглощением меньшего числа фотонов.

Фотоионизация играет существенную роль, напр., в процессах И. верхних слоев атмосферы (см. Ионосфера), в образовании стримеров при пробое электрическом газа и т. д.

Ионизованные газы и жидкости обладают электропроводностью, что, с одной стороны, лежит в основе разнообразных применений процессов И., а с др. стороны, даёт возможность измерять степень И. этих сред, т. е. отношение концентрации заряженных частиц в них к исходной концентрации нейтральных частиц.

Процессом, обратным И., является рекомбинация ионов и электронов - образование из них нейтральных атомов и молекул. Защищённый от внешних воздействий газ при обычных темп-рах в результате рекомбинации очень быстро переходит в состояние, в к-ром степень его И. пренебрежимо мала. Поэтому поддержание заметной И. в газе возможно лишь при действии внешнего ионизатора (потоки частиц, фотонов, нагревание до высокой темп-ры). При определённой концентрации заряженных частиц ионизованный газ превращается в плазму, резко отличающуюся по своим свойствам от газа нейтральных частиц.

Особенность И. жидких растворов состоит в том, что в них молекулы растворённого вещества распадаются на ионы уже в самом процессе растворения без всякого внешнего ионизатора, за счёт взаимодействия с молекулами растворителя. Взаимодействие между молекулами приводит к самопроизвольной И. и в нек-рых чистых жидкостях (вода, спирты, кислоты). Этот дополнит, механизм И. в жидкостях наз. электролитической диссоциацией.

2) И. в твёрдом теле - процесс превращения атомов твёрдого тела в заряженные ионы, связанный с переходом электронов из валентной зоны кристалла в зону проводимости (в случае примесных атомов - с потерей или захватом ими электронов). Энергия И. W в твёрдом теле имеет величину порядка ширины запрещённой зоны Ea (см. Твёрдое тело). В кристаллах с узкой запрещённой зоной электроны могут приобретать W за счёт энергии тепловых колебаний атомов (термическая И.); при фотоионизации необходимые энергии сообщаются электронам проходящими через твёрдое тело (или поглощаемыми в нём) фотонами. И. происходит также, когда через тело проходит поток заряженных (электроны, протоны) или нейтральных (нейтроны) частиц.

Особый интерес представляет ударная И. в сильном электрич. поле, наложенном на твёрдое тело. В таком поле участвующие в электропроводности электроны в зоне проводимости могут приобрести кинетич. энергии большие, чем Ев, и "выбивать" электроны из валентной зоны, где они не участвуют в электропроводности. При этом в валентной зоне образуются дырки, а в зоне проводимости вместо каждого "быстрого" электрона появляется два "медленных", к-рые, ускоряясь в поле, могут, в свою очередь, стать "быстрыми" и вызвать И. Вероятность ударной И. возрастает с ростом напряжённости электрич. поля. При нек-рой критич. напряжённости ударная И. приводит к резкому увеличению плотности тока, т. е. к электрическому пробою твёрдого тела.

Лит.: Грановский В. Л., Электрический ток в газе. Установившийся ток, M., 1971; Месси Г., Бархоп E., Электронные и ионные столкновения, пер. с англ., M., 1958г Энгель А., Ионизованные газы, пер. с англ., M., 1959; Федоренко H. В., Ионизация при столкновениях ионов с атомами, "Успехи физических наук", 1959, т. 68, в. 3; Атомные и молекулярные процессы, под ред. Д. Бейтса, пер. с англ., M-, 1964; Вилесов Ф. И., Фотоионизация газов и паров вакуумным ультрафиолетовым излучением, "Успехи физических наук", 1963, т. 81, в. 4; Pайзер Ю. П., Пробой и нагревание газов под действием лазерного луча, там же, 1965, т. 87, в. 1; Физика твёрдого тела, сб. статей, №2, M.-Л., 1959; Вул Б. M., О пробое переходных слоев в полупроводниках, "Журнал технической физики", 1956, т. 26, в.11; Келдыш Л. В., Кинетическая теория ударной ионизации в полупроводниках, "Журнал экспериментальной и теоретической физики", 1959, т.37, в. 3.

ИОНИЗАЦИЯ ПОВЕРХНОСТНАЯ, см. Поверхностная ионизация.

ИОНИЗИРУЮЩИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ, ионизующие излучения, излучения, взаимодействие к-рых со средой приводит, в конечном счёте, к ионизации атомов и молекул. К И. и. относятся: электромагнитное излучение, потоки ос-частиц, электронов, позитронов, протонов, нейтронов и др. заряженных и нейтральных частиц. Заряженные частицы ионизуют атомы среды непосредственно при столкновениях, если их кинетич. энергия достаточна для ионизации. При прохождении через среду потоков нейтральных частиц (нейтронов) или фотонов (квантов рентгеновского и у-излучений) ионизация обусловлена вторичными заряженными частицами, возникающими в результате взаимодействия первичных частиц со средой.

И. и. играют большую роль в различных физ. и хим. процессах, в биологии, медицине, с. х-ве и пром-сти. Многие хим. реакции под влиянием И. и. осуществляются с большей лёгкостью или протекают при значительно меньших темп-pax и давлениях (см. Радиационная химия). И. и. применяются для стерилизации, пастеризации и хранения пищевых продуктов, фармацевтич. препаратов и т. д. В результате действия И. и. можно получить разнообразные мутации у микроорганизмов и растений (см. Биологическое действие ионизирующих излучений).

Одновременно И. и. действуют разрушит, образом на вещество (см., напр., Радиационные дефекты в твёрдом теле, Доза, Радиобиология, Лучевая терапия). О регистрации И. и. см. в ст. Детекторы ядерных излучений.

ИОНИЙСКАЯ ШКОЛА, стихийно-материалистическое направление др.-греч. философии, возникшее и развившееся в ионийских колониях Греции в 6-4 вв. до н. э. Зародилась в г. Милет; её представители - Фалес, Анаксимандр и Анаксимен (милетская школа), Гераклит Эфесский. И. ш. принято противопоставлять пифагорейской, элейской и аттической школам. Одна из осн. идей, впервые выдвинутых философами И.ш., - мысль о единстве всего сущего, о происхождении всех вещей из нек-рого единого первоначала, к-рое понималось при этом как та или иная вещественная стихия (вода у Фалеса, воздух у Анаксимена, огонь у Гераклита) или как "беспредельное", из к-рого выделились осн. противоположности тёплого и холодного (апейрон Анаксимандра). Сочинения представителей И. ш. написаны на ионич. диалекте, в отличие от аттич. диалекта произведений Платона и Аристотеля.

Лит.: Михайлова Э. H.. Чанышев A. H., Ионийская философия, M., 1966.

А. О. Маковельский.

ИОНИЙСКИЙ ЛАД (муз.), один из старинных ладов, соответствующий совр. натуральному мажору. См. Натуральные лады, Средневековые лады.

ИОНИЙЦЫ, ионяне , одно из основных др.-греч. племён. И. получили назв. от легендарного героя Иона, считавшегося родоначальником племени. Занимали терр. Аттики, часть о. Эвбея, о-ва Хиос, Самос, Наксос и др. В 11-9вв. до н. э. они колонизовали среднюю часть зап. побережья M. Азии (обл. Ионии), потом побережья Чёрного и Мраморного морей. На ионийском диалекте, к-рый получил широкое распространение, сохранилась большая лит-ра (напр., поэмы Гомера, соч. Геродота) и значит, кол-во эпиграфич. памятников.

Лит.: Tюменев А. И., К вопросу об этногенезе греческого народа, "Вестник древней истории", 1953, № 4; 1954, № 4.

ИОНИК, овы (от лат. ovum - яйцо), орнаментальный мотив на капителях
1026-1-12.jpg

и карнизах ионического и коринфского архит. ордеров. Состоит из ряда яйцеобразных выпуклостей, обрамлённых валиком и чередующихся с обращёнными остриём вниз стрельчатыми листьями.

ИОНИТОВЫЕ СИТА, молекулярные сита, обладающие ионообменными свойствами. И. с. используют для избирательного извлечения малых ионов из раствора, напр, при очистке антибиотиков и витаминов от минеральных солей, разделения на фракции полимерных ионов.

ИОНИТЫ, ионообменники, ионообменные сорбент ы, твёрдые, практически нерастворимые вещества или материалы, способные к ионному обмену. И. могут поглощать из растворов электролитов (солей, кислот и щелочей) положительные или отрицательные ионы (катионы или анионы), выделяя в раствор взамен поглощённых эквивалентное количество других ионов, имеющих заряд того же знака. Молекулярную структуру И. можно представить в виде пространственной сетки или решётки, несущей неподвижные (фиксированные) ионы, заряд к-рых компенсируют противоположно заряженные подвижные ионы, т. н. противоионы. Они-то и участвуют в ионном обмене с раствором.

По знаку заряда обменивающихся ионов И. делят на катиониты и аниониты. Первые проявляют кислотные свойства, вторые - основные. Если И. способны обменивать и катионы и анионы, их наз. амфотерными. По химич. природе И. бывают неорганич. (минеральными) и органич., по происхождению - природными и искусственными, или синтетическими. И. подразделяют на типы и группы по специфич. свойствам, особенностям структуры, назначению и т. п. В частности, И., имеющие достаточно плотную структурную сетку с "окнами" определённого размера и избирательно поглощающие лишь те ионы, к-рые способны пройти в эти "окна", наз. ионитовыми ситами (см. также Молекулярные сита).

Из неорганич. И. практич. значение имеют природные и синтетич. алюмосиликаты (нек-рьге глинистые минералы, цеолиты, пермутиты), гидроокиси и соли многовалентных металлов, напр, гидроокись и фосфат циркония. Находят применение И., полученные химич. обработкой угля, целлюлозы, лигнина и др. Однако ведущая роль принадлежит синтетич. органич. И. - ионообменным смолам.

Важнейшее свойство И. - поглотительная способность, т. н. обменная ёмкость (о. ё.). Её выражают макс, числом мг-экв ионов, поглощаемых единицей массы или объёма И. в условиях равновесия с раствором электролита (статич. о. ё.) или в условиях фильтрации раствора через слой И. до "проскока" ионов в фильтрат (динамич. о. ё.). Значения о. ё. большинства И. лежат в пределах 2-10 мг-экв/г. Определения о. ё. стандартизованы; динамическая (рабочая) о. ё. всегда меньше статической.

Кроме высокой о. ё., к И. предъявляют требования механич. прочности (гл. обр. на истирание), термич. и химич. стойкости. И. обычно выдерживают длительный срок службы и легко поддаются многократной регенерации.

В зависимости от способа получения и назначения И. выпускают в различных товарных формах: в виде порошка, зёрен неправильной формы или сферич. гранул, волокнистого материала, листов или плёнок (ионитовых мембран). На междунар. рынок И. поступают под фирменными названиями: амберлиты (США, Япония), дуолиты (США, Франция), дауэксы (США), зеролиты (Великобритания), леватиты (ФРГ), вофатиты (ГДР) и MH. др. Осн. пром. марки отечественных И.: катиониты КУ-1, КУ-2, СГ-1, КБ-2, КБ-4, аниониты АВ-16, АВ-17, АН-1, АН-2Ф, АН-18, АН-31, ЭДЭ-10П.

Важнейшей областью применения И. была и остаётся водоподготовка. С помощью ионитовых фильтров получают деминерализованную (обессоленную) воду для паросиловых установок, многих совр. технологич. процессов и бытовых нужд. Ионитовые фильтры и электродиализные установки с ионитовыми мембранами применяют для опреснения морской или грунтовой воды с высоким солесодержанием. В гидрометаллургии И. используют в процессах обогащения сырья, разделения и очистки редких элементов. И. позволяют извлекать золото, платину, серебро, медь, хром, уран и др. металлы из растворов. Переработка радиоактивных отходов, удаление мн. вредоносных примесей из сточных вод также успешно осуществляются с использованием И.

В химич. пром-сти И. применяют для очистки или выделения продуктов органич. и неорганич. синтеза, в качестве катализаторов, как средство аналитич. контроля технологич. процессов. В пищевой пром-сти И. используют при рафинировании сахара, для улучшения качества вин и соков, в производстве витаминов и лекарственных препаратов. С их помощью из растительного и животного сырья извлекают ценные продукты биологич. синтеза, консервируют плазму крови, лечат нек-рые заболевания. И. всё шире применяют в производственной практике, науке и быту.

Лит.: Гельферих Ф., Иониты, пер. с нем., M., 1962; Салдадзе К. M., Пашков A- Б., Титов В. С., Ионообменные высокомолекулярные соединения, M., 1960; Амфлетт Ч., Неорганические иониты, пер. с англ., M., 1966; Ионообменная технология под ред. Ф. Находа и Дж. Шуберта, пер. с англ., M., 1959; Tремийон Б., Разделение на ионообменных смолах, пер. с франц., M., 1967.

JI. Л. Шиц.

ИОНИЧЕСКИЕ ОСТРОВА, группа островов в Ионическом м., у зап. берегов Балканского п-ова. Принадлежат Греции. Пл. св. 2,2 тыс. км2. Состоят из 5 крупных островов (Керкира, Лефкас, Кефалиния, Итака, Закинтос) и множества мелких, отделённых от материка мелководным морем и составляющих продолжение горных хребтов Греции, раздробленных сбросами. Частые землетрясения. Преобладают резко очерченные, обрывистые берега, много удобных бухт. Острова гористы (вые. до 1628 м), сложены преим. известняками и глинистыми сланцами, вдоль берегов местами холмистые предгорья и низменности с плодородными почвами, занятые оливковыми рощами, виноградниками, цитрусовыми. На склонах преобладает маквис; сохранились дубовые леса. Овцеводство, рыболовство. На И. о. - города Керкира, Аргостолпон, Закинтос.

ИОНИЧЕСКИЙ ОРДЕР, один из трёх главных греческих архитектурных ордеров. Осн., малоазийский, вариант И. о. сложился в каменном зодчестве в ионических (см. Иония) обл. Др. Греции между 560 и 500 гг. до н. э. (храм Артемиды в Эфесе, начат в сер. 6 в. до н. э., арх. Херсифрон и Метаген). И. о. отличается от дорического ордера большей лёгкостью пропорций и более богатым декором всех частей. И. о. в неск. вариантах распространился особенно широко в эпоху эллинизма. Подробнее см. Ордер архитектурный.

ИОНИЧЕСКОЕ МОРЕ, центральная часть Средиземного м., между юго-зап. берегом Балканского и юго-вост. берегом Апеннинского п-овов и о-вами Крит и Сицилия. Соединено на С. прол. Отранто с Адриатическим м., на 3. Мессинским прол. с Тирренским м. Берега сильно расчленены, особенно на В., у берегов Греции. Крупные заливы - Патраикос и Коринфский; у берегов Италии - Таранто. На В.- Ионические о-ва. Дно представляет собой котловину с глуб. более 4000 м (макс, до 4594 м). Дорные отложения - преим. ил, ближе к берегам - илистый песок, песок, ракушечник. Поверхностные течения образуют циклональный круговорот; их скорость ок. 1 км/ч. Темп-pa воды от 14 0C в феврале до 25,5 0C в августе. Солёность более 38°/оо. У дна темп-pa ок. 13 0C, солёность 38°/оо- Рыболовство (скумбрия, красный тунец, камбала, кефаль). Крупные порты: Патры, Керкира - в Греции, Таранто, Катания - в Италии.

ИОНИШКЕЛИС, город (с 1950) в Пасвальском р-не Литов. CCP. Расположен на правом берегу р. Муша (басс. Лиелупе). Ж.-д. станция на линии Шяуляй - Биржай, в 69 км к В. от Шяуляя. Предприятия пищевой пром-сти. Опытная станция Литовского н.-и. ин-та земледелия. С.-х. техникум.

ИОНИШКИС, город, центр Ионишкского р-на Литов. CCP. Ж.-д. станция на линии Шяуляй - Рига. Мукомольные и масло-сыродельные предприятия. Город образован в 1657.

ИОНИЯ (Ionia), колонизованная ионийцами в 11-9 вв. до н. э. область в центр, части зап. побережья M. Азии (с прилегающими островами) между гг. Фокея и Милет. Через И. шли оживлённые торг, и культурные связи стран Востока со странами Запада, что способствовало процветанию области. Высокая культура городов И. оказала большое влияние на культурное развитие всей Греции. И. дала первых греч. философов (Фолес, Анаксимандр, Анаксимен и др.) и историков (.логографы, Геродот и др.). В 6 в. до н. э. терр. И. была завоёвана Лидией, после 546 - персами, в 4 в. до н. э. находилась под властью Македонии, со 2 в. до н. э.- Рима.

Лит.: Cook I. M., The creeks in Ionia and the East, N. Y., 1965.

ИОННАЯ АТМОСФЕРА, повышенная концентрация ионов противоположного знака в объёме, окружающем данный ион в растворе; образуется вследствие действия электрич. поля, создаваемого этим ионом. Суммарный заряд И. а. равен по величине и противоположен по знаку заряду этого иона. Понятие И. а. даёт возможность при использовании статистич. методов упростить расчёт взаимодействия между ионами в растворе (рассматривая вместо электрич. полей, создаваемых каждым из ионов, окружающих центр, ион, непрерывное поле И. а. этого иона). Каждый из ионов, в т. ч. и любой ион, входящий в И. а. данного иона, можно рассматривать как центр, ион, обладающий своей И. а.

В. А. Киреев.

ИОННАЯ ПРОВОДИМОСТЬ в биологических системах обусловлена гл. обр. диффузией ионов; играет важную роль в транспорте веществ между отд. клеточными структурами, в генерировании и проведении биоэлектрич. импульсов и создании разности потенциалов как между отд. органеллами клетки, так и между её наружной и внутр. средой. Суммарную И. п. (гл. обр. для K+, Na+ и Cl-) можно оценить по формуле, учитывающей ионные градиенты, коэффициенты проницаемости ионов и мембранную разность потенциалов. В теории генерирования биоэлектрических потенциалов для потоков отд. ионов пользуются понятием парциальной И. п.

ИОННАЯ СВЯЗЬ, электровалентная связь, гетеровалентная связь, один из видов химич. связи, в основе к-рого лежит электростатич. взаимодействие между противоположно заряженными ионами. Такие связи в сравнительно чистом виде образуются в галогенидах щелочных металлов, напр. KF, т. к. атомы щелочных металлов имеют по одному слабо удерживаемому электрону (энергия связи примерно 3-5 эв), а атомы галогенов обладают наибольшим сродством к электрону. Но даже в кристаллах (и тем более в молекулах) этих соединений полной передачи электрона от атома металла атому галогена большей частью всё же не происходит. Распространённые прежде представления об образовании в др. случаях двух-, трёх- или четырёхзарядных ионов Ca2+, О2-, B3+, Si4+ не подтвердились, т. к. химич. связь образуется в таких случаях более сложным путём. Для оценки степени ионности связи пользуются понятием эффективного заряда иона (см. Валентность, Химическая Связь).

В. А. Киреев.

ИОННАЯ СИЛА РАСТВОРА, параметр I, используемый для характеристики электрич. поля раствора электролитов. И. с. p. I = 1/2 1026-1-13.jpgmiZ2i, где Zi - заряд ионов данного вида i, т - их моляльностъ в растворе (т. е. число грамм-ионов в 1 кг растворителя). В сильно разбавленных растворах некоторые свойства электролитов, и в частности коэффициент активности данного сильного электролита в растворе, зависят гл. обр. от И. с. р., что даёт возможность при приближённых расчётах пренебрегать зависимостью их от вида и концентрации содержащихся в растворе др. ионов.

ИОННАЯ ТЕОРИЯ ВОЗБУЖДЕНИЯ связывает возникновение возбуждения с движением ионов через поверхностную мембрану возбудимой клетки, что обусловливается изменением её ионной проницаемости. См. Мембранная теория возбуждения.

ИОННАЯ ФЛОТАЦИЯ, процесс извлечения находящихся в растворе ионов методом флотации, при к-ром в качестве реагентов-собирателей используются ио-ногенные поверхностно-активные вещества. И. ф. предложена в 50-х гг. 20 в. Ф. Себба (ЮАР). Для осуществления И. ф. в исходный раствор вводят пузырьки газа и собиратель. Последний образует в растворе поверхностно-активные ионы, заряд к-рьгх по знаку противоположен заряду извлекаемого иона. Соединение поверхностно-активных и извлекаемых ионов концентрируется на поверхности газовых пузырьков и выносится ими в пену. Затем пена отделяется от раствора и разрушается. Сконцентрированный в пенном продукте извлекаемый ион выделяется различными способами, зависящими от конкретных условий (природы иона и собирателя, целей И. ф. и т. д.).

И. ф. осуществляется во флотационных машинах (пневматич. и др.), сконструированных с учётом особенностей данного процесса. И. ф. обладает высокой производительностью и наиболее эффективна при низких концентрациях извлекаемых ионов (меньших 10-3-10-2 г*ион/л). И. ф. может применяться в гидрометаллургии, очистке сточных вод, аналитич. химии и др.

И.ф. могут извлекаться любые металлы, в первую очередь Mo, W, U, V, Pt.Ge, Re. В СССР сооружается пром. установка для И. ф- молибдена с помощью первичных аминов. Пенный продукт предполагается обжигать с получением технич. трёхокиси молибдена. Возможна также обработка горячими растворами соды. В этом случае молибден переходит в водный раствор и может быть осаждён в виде молибдата кальция, а амин (в форме основания) всплывает на поверхность водной фазы. После перевода в гидрохлорид его вновь можно использовать для И. ф.

Лит.: Себба Ф., Ионная флотация, пер. с англ., M., 1965; Кузькин С. Ф., Гольман A. M, Флотация ионов и молекул, M., 1971.

A. M. Гольман.

ИОННАЯ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ, электропроводность, обусловленная упорядоченным передвижением в веществе ионов.

ИОННАЯ ЭМИССИЯ, испускание положительных и отрицательных ионов поверхностью твёрдого тела или жидкости (эмиттер) в вакуум или газообразную среду. Ион, чтобы покинуть поверхность, должен обладать достаточно большой энергией для преодоления сил, удерживающих его на поверхности. Эта энергия может быть получена ионом при нагревании (термоионная эмиссия), при бомбардировке эмиттера (наз. в этом случае мишенью) пучком ионов (ионно-иониая эмиссия), электронами (электронно-ионная эмиссия) и фотонами (фотодесорбция). Во всех случаях И. э. может иметь место как эмиссия частиц самого эмиттера, так и примесных частиц, неизбежных в реальных материалах.

Термоионная эмиссия происходит в результате испарения в виде ионов частиц эмиттера или др. частиц, находящихся в эмиттере в виде примесей или попадающих на его поверхность извне. В последнем случае, а иногда и вообще термоионная эмиссия наз. поверхностной ионизацией. Количеств, характеристикой термоионной эмиссии является степень ионизации а, равная отношению числа ионов т к числу нейтральных частиц n0 того же химич. состава, испаряющихся с поверхности эмиттера за определённый промежуток времени. При этом выполняется соотношение:

1026-1-14.jpg

где Q0 и Qi - теплоты испарения частиц в нейтральном и ионном состояниях, k - Болъцмана постоянная, T - абс. темп-pa эмиттера, А - отношение статистических весов частиц в ионном и нейтральном состояниях. Величины Qt и Q0 связаны с работой выхода1026-1-15.jpg эмиттера и энергией ионизации V частиц (для положительных ионов) или энергией сродства к электрону S (для отрицательных ионов) соотношениями:

1026-1-16.jpg

Из (1) и (2) следует, что степень ионизации а тем выше, чем больше величина1026-1-17.jpg при И. э. положительных ионов и чем меньше 1026-1-19.jpgпри И. э. отрицательных ионов. При 1026-1-20.jpg величина а, а следовательно, и ионный ток растут с ростом T (рис. 1). Плотность ионного тока j при термоионной эмиссии зависит не только от величины а, но и от скорости испарения частиц с поверхности.

1026-1-18.jpg

Рис. 1. Зависимость логарифма плотности ионного тока от температуры эмиттера T при испарении W и Re в виде положительных и отрицательных ионов.  

Термоионная эмиссия используется для получения пучков ионов в ионных источниках для индикации слабых молекулярных пучков(напр., в квантовых стандартах частоты), для ионного внедрения примесей в полупроводники и т. п. В физико-химич. исследованиях термоионная эмиссия используется для определения энергии ионизации и сродства к электрону атомов, молекул и радикалов, теплот испарения и десорбции ионов и нейтральных частиц, энергии диссоциации молекул и т. д.

Если эмиттер находится в электрич. поле, ускоряющем испаряющиеся ионы, то теплота испарения ионов Qi уменьшается с ростом напряжённости поля E у поверхности эмиттера (Шотки эффект


1026-1-21.jpg

Рис. 2. Зависимость коэффициента К ионно-ионной эмиссии для различных вторичных ионов (Н-, H+, O+, Mo+) от скорости v в см/сек первичных ионов [H+(I), Ne+(2), Ar+ (3), Kr+(4)] при бомбардировке ими мишени из Mo.

для ионов); при T - Const это сопровождается, согласно (1), ростом величины а.

В сильных полях (E ~ 108 в/см) И. э. с большой вероятностью (а >> 1) происходит при комнатной и более низких темп-рах. В этом случае И. э. наз. полевой эмиссией (автоионной эмиссией, испарением полем). Поля ~ 108 в/см создаются, напр., у поверхности тонких острий с радиусом закругления 100-1000 А. В таких электрич. полях могут испускаться не только однозарядные, но и двухзарядные ионы. Полевую И. э. можно рассматривать как испарение ионов через сниженный полем потенциальный барьер. Ионный ток растёт с увеличением поля E, причём в более слабых полях вылетают преим. ионы примесей.

Полевая И. э. используется для подготовки образца в ионном проекторе и в электронном проекторе. Для получения резкого изображения с помощью ионного проектора необходимо создать атомно-гладкую поверхность образца. Полевая И. э. сглаживает поверхность острия, т. к. у краёв и резких выступов электрич. поле сильнее, что приводит к предпочтительному испарению ионов с этих мест.

Ионно-ионная (вторичная ионная) эмиссия происходит при облучении поверхности пучком ионов (первичных). При этом наблюдается эмиссия (выбивание) вторичных ионов и нейтральных частиц (см. также Катодное распыление). В пучке вылетающих ионов присутствуют отражённые от поверхности первичные ионы (иногда изменившие знак заряда), ионы материала мишени и примесей. Ионно-ионная эмиссия характеризуется коэфф. эмиссии К, равным отношению потока вторичных ионов nвт данного типа к потоку геп первичных ионов, бомбардирующих поверхность. Обычно К составляет доли % для однозарядных ионов. Величина К зависит от материала мишени, её темп-ры, типа первичных ионов, их кинетич. энергии, угла падения на поверхность, состава и давления газа, окружающего мишень, и др. (рис. 2). Пространств, распределение вторичных ионов определяется энергией и углом падения первичных ионов. Средняя энергия вторичных ионов обычно не превышает 10 эв. Однако при наклонном падении быстрых ионов на мишень она может быть значительно выше. Ионно-ионная эмиссия применяется для изучения адсорбции,катализа, при исследовании свойств поверхности (см. Ионный микроскоп) и др.

Электронно-ионная эмиссия. Электрон при ударе о поверхность затрачивает часть кинетич. энергии на разрыв связи частицы эмиттера с поверхностью. При этом частица может покинуть поверхность в виде иона. Электронно-ионная эмиссия находит применение для изучения состояния адсорбированных частиц.

Фотодесорбция ионов. Поглощение светового фотона может привести к распаду молекулы мишени на ионы либо к ионизации атома или молекулы. Часть ионов, возникающих при этом, может покинуть поверхность.

Если эмиттер облучить интенсивным световым потоком (луч лазера мощностью вимпульсе ~ 108-109 вт/см2), то наблюдается выход ионов вещества мишени с зарядами различной кратности и даже полностью лишённых электронов (напр., Со27+). Источником ионов в этом случае является высокоионизованная плазма, образующаяся вблизи эмиттера при испарении вещества.

Лит.: Добрецов Л. H., Гомоюновa M. В., Эмиссионная электроника, M., 1966; Фогель Я. M., Вторичная ионная эмиссия, "Успехи физических наук", 1967, т. 91, в. 1, с. 75; 3акдберг Э. Я., Ионов H. И., Поверхностная ионизация, M., 1969; Каминский M., Атомные и ионные столкновения на поверхности металла, пер. с англ., M., 1967.

H. И. Панов, В. E. Юрасова.

ИОННОЕ ВНЕДРЕНИЕ, ионное легирование, введение посторонних атомов внутрь твёрдого тела путём бомбардировки его поверхности ионами. Средняя глубина проникновения ионов в мишень тем больше, чем больше энергия ионов (ионы с энергиями ~ 10-100 кэв проникают на глубину 0,01-1 мкм). При бомбардировке монокристаллов глубина проникновения частиц вдоль определённых кристаллографич. направлений резко возрастает (см. Kaналирование заряженных частиц).

При интенсивной бомбардировке на И. в. влияет катодное распыление мишени, а также диффузия внедрённых ионов и их выделение с поверхности. Существует макс, возможная концентрация внедрённых ионов, к-рая зависит от вида иона и мишени, а также от темп-ры мишени.

И. в. наиболее широко используется при введении примесей в полупроводниковые монокристаллы для создания требуемой примесной электропроводности полупроводника. Следующий за этим отжиг проводится для уничтожения образовавшихся дефектов в кристалле, а также для того, чтобы внедрённые ионы заняли определённые места в узлах кристаллич. решётки. И. в. позволяет вводить в разные полупроводниковые материалы точно дозированные количества почти любых химич. элементов. При этом можно управлять распределением внедрённых ионов по глубине путём изменения энергии ионов, интенсивности и направления ионного пучка относительно кристаллографич. осей. И. в. позволяет создать в полупроводниковом кристалле электронно-дырочный переход на малой глубине, что увеличивает, напр., предельную частоту транзисторов.

Лит.: Мейер Дж., Эриксон А., Девис Д ж., Ионное легирование полупроводников (кремний, германий), пер. с англ., M., [в печати]; Легирование полупроводников ионным внедрением, пер. с англ., M., 1971.

Ю. В. Мартыненко.

ИОННОЕ ПРОИЗВЕДЕНИЕ ВОДЫ, произведение концентраций (точнее активностей) ионов водорода H+ и ионов гидроксила ОН- в воде или в водных растворах: Кв = [H+] [OH-]. См. Водородный показатель.

ИОННО-СОРБЦИОННЫЙ НАСОС, вакуумный насос, в к-ром химически активные газы удаляются за счёт сорбции их геттерами, а инертные газы - в результате интенсивной ионизации в виде ионов под действием электрич. поля. С помощью И.-с. н. достигают разрежения 10-7 н/м2 (10-9 мм рт. ст.).

ИОННО-ЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ, испускание электронов поверхностью твёрдого тела в вакуум под действием ионной бомбардировки. Явление И.-э. э. используется в электронных умножителях, электронных микроскопах, а также при изучении физики плазмы, структуры твёрдых тел и дефектов этой структуры.

Лит. см. при ст. Электронная эмиссия.

ИОННЫЕ КРИСТАЛЛЫ, кристаллы, в которых сцепление частиц обусловлено преим. ионными химич. связями (см. Ионная связь). И. к. могут состоять как из одноатомных, так и из многоатомных ионов. Примеры И. к. первого типа - кристаллы галогенидов щелочных и щёлочноземельных металлов, образованные положительно заряженными ионами металла и отрицательно заряженными ионами галогена (NaCl, CsCl , CaF2, см. рис.).

1026-1-22.jpg

Строение некоторых ионных кристаллов.  

Примеры И. к. второго типа - нитраты, сульфаты, фосфаты, силикаты и др. соли этих же металлов, где отрицательные ионы кислотных остатков состоят из неск. атомов. Кислотные остатки могут объединяться в длинные цепи, слои, а также образовывать трёхмерный каркас, в пустотах к-рого размещаются ионы металла. Такие образования встречаются, напр., в кристаллич. структурах силикатов (см. также Кристаллохимия).

П. М. Зоркий.

ИОННЫЕ ПРИБОРЫ, газоразрядные приборы, электровакуумные приборы, действие к-рых основано на использовании различных видов электрических разрядов в газе (инертных газах, водороде) или парах металла. Простейший И. п. представляет собой диод, баллон к-рого наполнен инертным газом или парами ртути. Свойства И. п. определяются взаимодействием электронного потока с газовой средой и электрич. полем между электродами (анодом и термоэлектронным или холодным катодом). При движении от катода к аноду электроны, соударяясь с атомами и молекулами газа, ионизируют их; в пространстве между электродами И. п. образуются электроны и положительно заряженные ионы. Вследствие компенсации пространств, заряда электронов положит, ио-ыами в И. п. можно получить очень боль-шве силы токов при небольшой разности потенциалов (падении напряжения) между электродами, что недостижимо в др. типах электровакуумных приборов. Для управления моментом возникновения разряда в И. п. применяют дополнит, электроды (сетки, вспомогат. аноды и др.). Электрич. разряды в большинстве случаев сопровождаются излучением света (свечением), характерного для данного газа спектрального состава. Насчитывается более 50 классов И. п., работа к-рых основана на использовании отд. свойств того или иного вида разряда, гл. обр. тлеющего разряда, дугового разряда, искрового разряда, коронного разряда.

Приборы тлеющего разряда (сигнальные лампы, стабилитроны, тиратроны с холодным катодом, декатро-ны, цифровые индикаторные лампы, матричные индикаторные панели и др.) составляют наиболее многочисл. и важную группу И. п. Давление газа в них - десятки н/м2; сила тока не превышает несколько десятков ма; долговечность - десятки тыс. часов. Они имеют малые габариты и массу. Однако быстродействие таких приборов не превышает сотен мксек (рабочая частота - десятков кгц).

В приборах дугового разряда, гл. обр. с подогревным катодом, давление газа составляет десятые доли н/м2. Такие приборы (газотроны, тиратроны, клипперные приборы, тиситроны и др.) имеют низкое внутр. сопротивление (десятки ом), падение напряжения в них 10-20 в (в импульсном режиме - 100- 200 в). Долговечность их ограничена постепенным разрушением катода и понижением давления (жестчением) наполняющего газа. Для увеличения долговечности приборов используют жидкий ртутный катод (ртутные вентили, игнитроны). Приборы с таким катодом способны пропускать ток силой до неск. тыс. ампер и выдерживать обратное напряжение до сотен кв. Известны приборы дугового разряда с самоподогревающимся катодом - аркатроны.

В приборах искрового разряда при подаче между двумя металлнч. холодными электродами напряжения, превышающего определённое значение (напряжение пробоя), возникает электрич. искра в виде ярко светящегося тонкого канала, обычно сложным образом изогнутого и разветвлённого. Давление газа в них десятки или неск. сотен кн/м2. Часто применяются смеси инертных газов с кислородом, углекислым газом и т. п. Время формирования искрового разряда очень мало - доли нсек. Свойство разрядного промежутка почти мгновенно изменять свою электропроводность в значит. пределах (электрич. сопротивление промежутка изменяется от долей ома до сотен Мом) используется в искровых разрядниках - неуправляемых и управляемых (тригатронах).

В приборах коронного разряда (стабилитронах и др.) ионизация газа происходит в области наибольшей напряжённости поля (область коронировация) при необходимом условии - резкой неоднородности электрич. поля между двумя электродами (напр., при коаксиальной форме электродов). Давление газа в них - сотни н/м2 и выше. Зависимость силы тока от напряжения, приложенного к электродам, представляет собой прямую, почти параллельную оси токов.

Отд. группу И. п. составляют: газоразрядные источники света, большинство из к-рых - приборы дугового разряда, работающие при высоком давлении газа (неск. сотен кн/м2); лампы высокой интенсивности излучения; эритемная лампа, дающая сильное ультрафиолетовое излучение; газовые лазеры (атомарные, ионные, молекулярные), являющиеся источниками когерентных электромагнитных колебаний светового диапазона волн, и т. д.

Известна также отд. группа И. п. (аттенюаторы, фазоеращатели, разрядники и др.), работа к-рых основана на взаимодействии сверхвысокочастотного поля и ионизированной области газа. О применении И. п. с различными видами разрядов см. в соответствующих статьях по конкретным классам И. п.

Лит.: Капцов H. А., Электрические явления в газах и вакууме, 2 изд., M.-Л., 1950; Власов В. Ф., Электронные и ионные приборы, 3 изд., M., 1960; Генис А. А., Горвштейн И. Л., Пугач А. В., Приборы тлеющего разряда, К., 1963; Черепанов В. П., Коневских В. M., Львов В. H., Газоразрядные источники шумов, [M.], 1968; Нил Д. M., Конструирование аппаратуры на ионных приборах с холодным катодом, пер. с англ., M., 1968; Черепанов В. П., Григорьев О. П., Вакуумные и газоразрядные вентили, M., 1969.

H. Г. Кашников.

ИОННЫЕ РАДИУСЫ, условные характеристики ионов, используемые для приблизительной оценки межъядерных расстояний в ионных кристаллах. Значения И. р. закономерно связаны с положением элементов в периодич. системе Менделеева. И. р. широко используются в кристаллохимии, позволяя выявить закономерности строения кристаллов разных соединений, в геохимии при изучении явления замещения ионов в геохимич. процессах и др.

Предложено неск. систем значений И. р. В основе этих систем обычно лежит след, наблюдение: разность межъядерных расстояний А - ХиВ - Хв ионных кристаллах состава AX и BX, где А и В - металл, X - неметалл, практически не меняется при замене X на аналогичный ему др. неметалл (напр., при замене хлора на бром), если координационные числа аналогичных ионов в сравниваемых солях одинаковы. Отсюда вытекает, что И. р. обладают свойством аддитивности, т. е. что экспериментально определяемые межъядерные расстояния можно рассматривать как сумму соответствующих "радиусов" ионов. Разделение этой суммы на слагаемые всегда базируется на более или менее произвольных допущениях. Системы И. р., предложенные разными авторами, отличаются гл. обр. использованием различных исходных допущений.

В таблицах приводят И. р., отвечающие разным значениям окислительного числа (см. Валентность). При значениях его, отличных от +1, окислительное число не соответствует реальной степени ионизации атомов, и И. р. приобретают ещё более условный смысл, т. к. связь может иметь в значит, мере ковалентный характер. Значения И. р. (в А) для нек-рых элементов (по H. В. Белову и Г. Б. Бокию): F- 1,33, Cl- 1,81, Br- 1,96, I- 2,20, О2- 1,36, Li+ 0,68, Na- 0,98, K+ 1,33, Rb+ 1,49, Cs+ 1,65, Be2+ 0,34, Mg2+ 0,74, Ca2+ 1,04, Sr2+ 1,20, Ba2+ 1,38, Sc3+ 0,83, Y3+0,97, La3+ 1,04.

В. А. Киреев.

ИОННЫЙ ИСТОЧНИК, устройство для получения направленных потоков (пучков) ионов. И. и. является важной частью ускорителей заряженных частиц, масс-спектрометров, ионных микроскопов, электромагнитных разделителей изотопов (см. Изотопов разделение) и многих др. устройств.

ИОННЫЙ ЛАЗЕР, один из видов газового лазера.

ИОННЫЙ МИКРОСКОП, прибор, в к-ром для получения изображений применяется пучок ионов, создаваемый термоионным или газоразрядным ионным источником. По принципу действия И. м. аналогичен электронному микроскопу. Проходя через объект и испытывая в различных его участках рассеяние и поглощение, ионный пучок фокусируется системой электростатических или магнитных линз н даёт на экране или фотослое увеличенное изображение объекта (см. Электронная и ионная оптика).

Создано лишь неск. опытных образцов И. м. Работы по его усовершенствованию стимулируются тем, что он должен обладать более высокой разрешающей способностью по сравнению с электронным микроскопом. Длина волны де Бройля для ионов значительно меньше, чем для электронов (при одинаковом ускоряющем напряжении), вследствие чего в И. м. очень малы эффекты дифракции, к-рые в электронном микроскопе ограничивают его разрешающую способность. Др. преимущества И. м. - меньшее влияние изменения массы ионов при больших ускоряющих напряжениях и лучшая контрастность изображения. Расчёты показывают, что, напр., контрастность изображения органич. плёнок толщиной в 50 А, вызванная рассеянием протонов, в неск. раз должна превышать контрастность, вызванную рассеянием электронов.

К недостаткам И. м. относятся заметная потеря энергии ионов даже при прохождении через очень тонкие объекты, что вызывает разрушение объектов, большая хроматическая аберрация (см. Электронные линзы), разрушение люминофора экрана ионами и слабое фотография, действие. Эти недостатки привели к тому, что, несмотря на перечисленные выше преимущества И. м. по сравнению с электронным, он не нашёл пока практич. применения. Значительно более эффективным оказался И. м. без линз - ионный проектор.

Лит.: The proceedings of the 3d International conference on electron microscopy, L., 1956, p. 220 - 99.

Ю. M. Кушнир.

ИОННЫЙ НАСОС, вакуумный насос, в к-ром откачиваемый газ подвергается интенсивной ионизации, а образующиеся положительно заряженные ионы удаляются под действием электрич. поля. С помощью И. н. создают разрежение 10-4 н/м2 (10-6 мм рт. ст.).

ИОННЫЙ ОБМЕН, обмен ионов в растворах электролитов (гомогенный И. о.). При смешении разбавленных растворов электролитов, напр. NaCl и KNO3, в смеси присутствуют ионы Na+, K+, NO3- и Cl-. Равновесное состояние выразится в этом случае уравнением: NaCl + KNO3 <-> NaNO3 + KCl (реакция двойного обмена). Если одно из веществ, могущих получиться при взаимодействии, диссоциировано меньше других, равновесие сдвигается в сторону образования малодиссоциированного вещества. Равновесие сдвигается также в сторону образования летучего или малорастворимого продукта (если он выделяется из данной фазы) по реакциям:

1026-1-23.jpg

При выпаривании равновесного раствора прежде всего начинается кристаллизация соли (комбинации ионов), обладающей меньшей растворимостью. Избирательность кристаллизации может быть вызвана также добавлением органич. растворителей (спирт, ацетон, диоксан и т. п.).

При гетерогенном И. о. (ионообменная сорбция) обмен происходит между ионами, находящимися в растворе, и ионами, присутствующими на поверхности твёрдой фазы - ионита. При соприкосновении ионита, насыщенного одним ионом, напр. H+, с раствором, содержащим др. ионы, напр. Na+ и Ca2+, происходит обмен ионов между раствором и ионитом: в растворе уменьшаются концентрации Na+ и Ca2+ и появляется эквивалентное количество ионов H+.

Гетерогенный И. о. имеет место при сорбции из растворов электролитов на нек-рых минералах (алюмосиликатах, гидратах окисей металлов, цеолитах), в клетках и мембранах живых организмов и в синтетич. ионообменных сорбентах. Гетерогенный И. о. широко применяется для обессоливания воды, идущей для питания котлов паром высоких параметров, в гидрометаллургии, в хим. и фармацевтич. пром-сти (см. Иониты).

К. В. Чмутов.

ИОННЫЙ ПРОЕКТОР, автоионный микроскоп, бсзлинзовый ионно-оптич. прибор для получения увеличенного в неск. миллионов раз изображения поверхности твёрдого тела. С помощью И. п. можно различать детали поверхности, разделённые расстояниями порядка 2-3 А, что даёт возможность наблюдать расположение отд. атомов в кристаллич. решётке. И. п. изобретён в 1951 нем. учёным Э. Мюллером, к-рый ранее создал электронный проектор.

Принципиальная схема И. п. показана на рис. 1. Положительным электродом и одновременно объектом, поверхность к-рого изображается на экране, служит остриё тонкой иглы. Атомы (или молекулы) газа, заполняющего внутр. объём прибора, ионизуются в сильном электрич. поле вблизи поверхности острия, отдавая ему свои электроны. Возникшие положит, ионы приобретают под действием поля радиальное (перпендикулярное поверхности острия) ускорение, устремляются к флуоресцирующему экрану (потенциал к-рого отрицателен) и бомбардируют его. Свечение каждого элемента экрана пропорционально плотности приходящего на него ионного тока. Поэтому распределение свечения на экране воспроизводит в увеличенном масштабе распределение плотности возникновения ионов вблизи острия. Масштаб увеличения т равен отношению радиуса экрана R к радиусу кривизны острия r, m = R/r (чем тоньше остриё, тем больше увеличение).  

Рис. 1. Схема ионного проектора: 1 - жидкий водород; 2 - жидкий азот; 3 - остриё; 4 - проводящее кольцо; 5 - экран.

1026-1-24.jpg
 

Вероятность прямой ионизации газа в электрич. поле оказывается значительной, если на расстояниях порядка размеров атома (молекулы) газа создаётся падение потенциала порядка ионизационного потенциала этой частицы. Напряжённость такого поля чрезвычайно велика - от 2 до 6 в/А, т. е. (2-6)*108 в/см. Столь сильное поле легко создать у поверхности острия (на удалении 5-10 А от неё) при достаточно малом радиусе кривизны поверхности - от 100 до 1000 А. Именно этим (наряду со стремлением к большим увеличениям) обусловлено использование в И. п. образца в виде тонкого острия. Происходящий в И. п. процесс ионизации газа в сильном поле острия носит название автоионизации.

Вблизи острия электрич. поле неоднородно - над ступеньками кристаллич. решётки или отд. выступающими атомами его локальная напряжённость увеличивается: на таких участках вероятность автоионизации выше и количество ионов, образующихся в единицу времени, больше. На экране эти участки отображаются в виде ярких точек. Иными словами, образование контрастного изображения поверхности определяется наличием у неё локального микрорельефа. Ионный ток и, следовательно, яркость и контрастность изображения растут с повышением давления газа, к-рое в И. п., однако, обычно не превышает примерно 0,001 мм рт. ст.; при более высоком давлении начинается газовый разряд.

Разрешающая способность И. п. зависит гл. обр. от касательных (относительно поверхности острия) составляющих тепловых скоростей ионов и от напряжённости поля у острия. В отличие от электронного проектора, в И. п. влияние дифракции на разрешающую способность относительно мало вследствие значительно большей (по сравнению с электронами) массы ионов. Далее, разрешение И. п. существенно зависит от поляризуемости а атомов (или молекул) рабочего газа; наиболее пригодны для использования в И. п. газы с малой а (водород, гелий). Большинство частиц газа достигает поверхности острия, не претерпев ионизации. При обычных темп-pax они затем покидают её, обладая значит, касательными составляющими скорости. При охлаждении острия до темп-ры жидкого водорода или азота (20-78 К) неионизованные молекулы на нек-рое время "прилипают" к нему, теряя свою кинетич. энергию. Их ионизация происходит после испарения с острия (для гелия на расстоянии ~5 А от него; локальное распределение поля на таком удалении от поверхности достаточно хорошо выявляет атомную структуру острия, см. рис. 2).

И. п. широко применяется для исследования атомной структуры чистых металлов и различных сплавов и её связи с их механич. свойствами; всевозможных дефектов в кристаллах, в частности дислокаций и повреждений, вызванных радиоактивным облучением; влияния способов обработки, напр, пластич. деформаций, на свойства материалов. С его помощью изучают процессы коррозии, адсорбции и десорбции, свойства тонких плёнок, осаждённых на поверхности металлов. Сопоставление результатов исследований в электронном проекторе и в И.п. позволяет получить значит, информацию об электронных свойствах металлов, сплавов и плёночных систем, чрезвычайно важную в совр. электронике. Ведутся работы, ставящие целью изучение с помощью И. п. структуры биологич. молекул.

Лит.: Мюллер Э., Автоионная микроскопия, "Успехи физических наук", 1967, т. 92, в. 2, с. 293; Автоионная микроскопия, пер. с англ., M., 1971.

ИОННЫЙ РАКЕТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ, то же. что электростатический ракетный двигатель.

ИОННЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД, привод, состоящий из электродвигателя и ионного преобразователя, управляющего режимами работы двигателя. Изменяя подводимое к двигателю напряжение, можно менять частоту его вращения и тем самым регулировать режим работы электропривода. Напряжение может изме-яятъся дискретно (ступенчатое регулирование) при переключении отводов согласующего трансформатора T (рис.) или плавно при изменении угла регулирования вентилей преобразователя, пропускающих ток от сети Ui к электродвигателю Д. Управляющее напряжение на вентили подаётся устройством управления СУ. В качестве вентилей в И. э. малой и средней мощности обычно применяют тиратроны, а в мощных - игнитроны и якситроны.

Различают И. э. постоянного и переменного тока. В первом случае ток через преобразователь подаётся в обмотки .якоря или возбуждения двигателя постоянного тока; во втором-обмотки статора или ротора асинхронного или синхронного электродвигателя. Преобразователь И. э. постоянного тока выполняется в виде выпрямителя по мостовой схеме или с нулевым выводом. Преобразователь И. э. переменного тока представляет собой преобразователь частоты, собранный по схеме "выпрямитель - инвертор" или по схеме с непосредств. связью. И. э. бывает реверсивным, т. е. допускающим изменение направления вращения дви-тателя, и нереверсивным. Для реверсирования обычно применяют переключающее устройство, к-рым в И. э. постоянного тока могут быть, напр., силовой механич. реверсор или дополнит, комплект вентилей; в И. э. переменного тока - изменением чередования фаз в СУ. И. э. применяется в прокатных станах, подъёмниках, мощных вентиляторах, станках, на ж.-д. подвижном составе. С 1960 в устройствах средней мощности И. э. заменяются электроприводами с полупроводниковыми преобразователями.  

Схема ионного электропривода с двигателем постоянного тока: U1 - напряжение питающей сети; T - трансформатор; ИП - ионный преобразователь; Д - двигатель; БЗ - блок защиты; СУ - система управления.

1026-1-25.jpg

Лит.: Бутаев Ф. И., Эттингер E. Л., Вентильный электропривод, М.-Л., 1951; Чиликин M. Г., Общий курс электропривода, 4 изд., M.-Г., 1965.

Ю. M. Иньков.

ИОНОГАЛЬВАНИЗАЦИЯ, физиотерапевтический метод лечения; то же, что электрофорез лекарственный.

ИОНОЛ, 4-метил-2,6-ди-трет-бутил-фенол, (CH3)(C4H9)2C6H2OH. Технич. И.- порошок жёлтого цвета, tпл 69- 70 0C; применяется как антиокислитель в произ-ве пищевых продуктов, смазочных масел, каучуков и др.

ИОНОЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ, люминесценция, возбуждаемая при бомбардировке люминофора ионами. Подробнее см. Люминесценция.

ИОНОНЫ, ненасыщенные кетоны циклогексенового ряда с приятным однотипным запахом. И.- .высококипящие бесцветные жидкости, хорошо растворимые в спирте. К И. относят собственно ионон и его гомологи: метил ионон, изо-метилионон и ирон. Для И. известно неск. изомеров, из к-рых наиболее нежным и тонким запахом обладают а-изомеры. Ионон в разбавленных растворах имеет запах цветов фиалки, метил-и изометилиононы - запах фиалки с оттенком ириса, ирон - запах ириса с оттенком фиалки.

1026-1-26.jpg
Ионон содержится в нек-рых плодах и эфирных маслах, метил- и изометилиононы в природе не найдены, ирон - гл. составная часть (60-80% ) ирисового эфирного масла, извлекаемого из корней ириса.

В пром-сти ионон, метил- и изометилиононы получают из цитраля, ирон - из метилцитраля (обычно в виде смесей изомеров). И. широко применяют в парфюмерии при создании композиций для духов и одеколонов, а также косметических отдушек. бета-ионон используют также при произ-ве витамина А (см. Витамины).

ИОНООБМЕННИКИ, то же, что иониты.

ИОНООБМЕННЫЕ СМОЛЫ, синтетич. высокомолекулярные (полимерные) органич. иониты. В соответствии с общей классификацией ионитов И. с. делят на катионоооменные (поликислоты), анионообменные (цолиоснования) и амфотерные, или биполярные (полиамфолиты). Катпонообменные смолы бывают сильно- и слабокислотные, анионообменные - сильно- и слабоосновные. Если носителями электрич. зарядов молекулярного каркаса И. с. являются фиксированные ионы (функциональные, или ионогенные, группы) только одного типа, напр, сульфогруппы, то такие И. с. наз. монофункциональными. Если же смолы содержат разнотипные ионогенные группы, они наз. полифункциональными. По структурному признаку различают микропористые, или гелевидные, и макропористые И. с. Частицы гелевидных смол гомогенны; ионный обмен в системе гелевидная смола - раствор электролита возможен лишь благодаря диффузии обменивающихся ионов сквозь молекулярную сетку набухшего ионита. Макропористые смолы гетерогенны; их частицы имеют губчатую структуру, т. е. пронизаны системой сквозных пор, средний диаметр к-рых (от 200-300 до 1000-1200 А) намного превышает размеры молекул растворителя и обменивающихся ионов. Раствор электролита свободно проникает по порам внутрь частиц таких И. с., что значительно облегчает ионный обмен, особенно в неводных средах.

И. с. можно рассматривать как нерастворимые полиэлектролиты. Поливалентный (многозарядный) ион, образующий структурный каркас И. с., практически неподвижен из-за огромной молекулярной массы. Этот ион-каркас, или ион-сетка, связывает малые подвижные ионы противоположного знака (противоионы), к-рые способны к эквивалентному обмену на ионы окружающего раствора. Свойства нек-рых пром. марок отечественных И.с. приведены в таблице. Средний размер частиц таких И. с. составляет 0,2- 2,0 мм, насыпная масса 0,5-0,9 т/м3.

Получают И. с. полимеризацией, поликонденсацией или путём полимераналогичных превращений, г. н. химич. обработкой полимера, не обладавшего до этого свойствами иинита. Среди пром. И. с. широкое распространение получили смолы на основе сополимеров стирола и дивинилбензола. В их числе сильнокислотные катиониты, сильно- и слабоосновные аниониты. Осн. сырьём для пром. синтеза слабокислотных катионо-обменных смол служат акриловая и метакриловая кислоты и их эфиры. В больших количествах производят также И. с. на основе фенолоальдегидных полимеров, полиаминов и др. Направленный синтез И. с. позволяет создавать материалы с заданными технологич. характеристиками.
 

Свойства некоторых промышленных марок отечественных ионообменных смол

Марка

Статическая обменная ёмкость1. мг-жв/г

Удельный объём2,

мл/г

Максимальная темп-ра эксплуатации, 0C

Основное сырьё

Сильнокислотные катионообменные смолы

КУ-1

4,2-4,5

2,6-3,0

SO

Фенол, формальдегид

КУ-2

4,8-5,2

2,5-2,9

130

Стирол, дивинилбензол

Слабокислотные катионообменные смолы

КБ-2

10-11

2,6-3,0

100

Акриловая кислота, дивинилбензол

КБ-4

8,5-10

2,6-3,0

100

Метакриловая кислота, дивинил-бензол

Сильноосновные анионообменные смолы

AB-1 6

8-9,5

3,6-4,2

90

Полиамины, эпихлоргидрпн, пиридин

AB-1 7

3,5-4,2

2,5-3,0

50

Стирол, дивинилбензол

Слабоосновные анионообменные смолы

АН-2Ф

8,5-10

2,5-3,2

SO

Полиамины, фенол

АН-18

3,5-5

2,0-2,5

60

Стирол, днвииилбензол

ЭДЭ-10Л

8,5-9,5

2,6-3,2

45

Полиамины, эпихлоргидрин

 

1 Выражена числом миллиграмм-эквивалентов ионов, поглощаемых 1 г сухой смолы при контакте со стандартным раствором гидроокиси натрия (для катионообменных смол) или соляной кислоты (для анионообменных смол).

2 Объём, занимаемый 1 г набухшей в воде смолы.

И. с. используют для обессолнвания воды, извлечения и разделения редких элементов, очистки продуктов органич. и неорганич. синтеза и др. Подробнее см. Иониты.

Лит. см. при статьях Иониты, Ионный обмен.

Л. А. Шиц.

ИОНОСФЕРА (от ионы и греч. sphaira - шар), ионизированная часть верхней атмосферы; расположена выше 50 км. Верхней границей И. является внешняя часть магнитосферы Земли. И. представляет собой природное образование разреженной слабоионизированной плазмы, находящейся в магнитном поле Земли и обладающей благодаря своей высокой электропроводности сиецифич. свойствами, определяющими характер распространений в ней радиоволн и различных возмущений (подробнее см. Плазма, Распространение радиоволн). Только благодаря И. возможен такой простой и удобный вид связи на дальние расстояния, как радиосвязь.

Первые предположения о существовании высоко над Землёй электропроводящего слоя высказывались в связи с исследованием магнитного поля Земли и атмосферного электричества (К. Гаусс, 1839; У. Томсон, 1860; Б. Стюарт, 1878). Вскоре после открытия А. С. Поповым радио (1895) А. Кеннелли в США и О. Хевисайд в Великобритании почти одновременно (в 1902) высказали предположение, что распространение радиоволн за пределы прямой видимости обусловлено их отражением от электропроводящего слоя, расположенного на высотах 100-300 км. Науч. исследования И. были начаты в 20-х гг., когда применили зондирующие ионосферные станции и, посылая с Земли короткие радиосигналы с различной длиной волны, наблюдали их отражения от соответствующих областей И. Английским учёным У. Эклсом был предложен механизм влияния заряженных частиц на радиоволны (1912), сов. учёный M. В. Шулейкин (1923) пришёл к выводу о существовании в И. не менее 2 слоев, англ. учёный С. Чепмен (1931) построил теорию простого слоя, в первом приближении описывающую И. Большой вклад внесли работы сов. учёных Д. А. Рожанского, М.А.Бонч-Бруевича, А.Н.Щукина, С. И. Крючкова, англ. учёных Дж. Лармора, Э. Эплтона и др.

Наблюдения на мировой сети станций позволили получить глобальную картину изменения И. Было установлено, что концентрация ионов и электронов в И. распределена по высоте неравномерно: имеются области, или слои, где она достигает максимума (рис. 1). Таких слоев в И. несколько; они не имеют резко выраженных границ, их положение и интенсивность регулярно изменяются в течение дня, сезона и 11-летнего солнечного цикла. Верхний слой F соответствует гл. максимуму ионизации И. Ночью он поднимается до высот 300-400 км, а днём (преим. летом) раздваивается на слои Fi и F^ с максимумами на высотах 160-200 км и 220-320 км. На высотах 90-150 км находится область E, а ниже 90 км область D. Слоистость И. обусловлена резким изменением по высоте условий её образования (см. ниже).

Рис. 1. Схема вертикального строения ионосферы.

1026-1-27.jpg
 

Применение сначала ракет, а потом и спутников позволило получить более надёжную информацию о верхней атмосфере, непосредственно измерить на ракетах ионный состав (при помощи масс-спектрометра) и осн. физич. характеристики И. (темп-ру, концентрацию ионов и электронов) на всех высотах, исследовать источники ионизации - интенсивность и спектр коротковолнового ионизующего излучения Солнца и разнообразных корпускулярных потоков. Это позволило объяснить регулярные изменения в И. С помощью спутников, несущих на борту ионосферную станцию и зондирующих И. сверху, удалось исследовать верхнюю часть И., расположенную выше максимума слоя F и поэтому недоступную для изучения наземными ионосферными станциями.

Было установлено, что темп-pa и электронная концентрация ne, в И. резко растут до области F (см. таблицу и рис. 2);

Рис. 2. Типичное распределение по вертикали электронной концентрации nе в ионосфере. Буквами отмечено положение различных областей.

1026-1-28.jpg

в верхней части И. рост темп-ры замедляется, а nе выше области F уменьшается с высотой сначала постепенно до высот 15-20 тыс. км (т. н. плазмопауза), а потом более резко, переходя к низким концентрациям п, в межпланетной среде.

Наряду с ракетами и спутниками получили успешное развитие новые наземные методы исследования, особенно важные для изучения нижней части И. в области D: методы частичного отражения и перекрёстной модуляции; измерения с помощью радиометров поглощения космич. радиоизлучения на разных частотах, исследования поля длинных и сверхдлинных радиоволн, а также метод наклонного и возвратно-наклонного зондирования. Большое значение имеет метод обратного некогерентного (томпсоновского) рассеяния, основанный на принципе радиолокации, когда посылают в И. короткий мощный импульс радиоизлучения, а затем принимают слабый рассеянный сигнал, растянутый во времени в зависимости от расстояния до точки рассеяния. Этот метод позволяет измерять не только распределение п, до очень больших высот (1000 км и выше), но даёт также темп-ру электронов и ионов, ионный состав, регулярные и нерегулярные движения и др. параметры И.

Образование ионосферы. В И. непрерывно протекают процессы ионизации и рекомбинации. Наблюдаемые в И. концентрации ионов и электронов есть результат баланса между скоростью их образования в процессе ионизации и скоростью уничтожения за счёт рекомбинации и др. процессов. Источники ионизации и процессы рекомбинации разные в различных областях ионосферы.

Осн. источником ионизации И. днём является коротковолновое излучение Солнца с длиной волны1026-1-29.jpg короче 1038 А, однако важны также и корпускулярные потоки, галактические и солнечные космические лучи и др. Каждый тип ионизующего излучения оказывает наибольшее действие на атмосферу лишь в определённой области высот, соответствующих его проникающей способности. Так, мягкое коротковолновое излучение Солнца с1026-1-30.jpg большую часть ионов образует в И. в области 120-200 км (но действует и выше), тогда как более длинноволновое излучение с 1026-1-31.jpg=911 - 1038 А вызывает ионизацию на высотах 95-115 км, т. е. в области E, а рентгеновское излучение с X короче 85 А - в верхней части области D на высотах 85-100 км. В нижней части области D, ниже 60-70 км днём и ниже 80-90 км ночью, ионизация осуществляется т. н. галактич. космич. лучами. Существенный вклад в ионизацию области D на высотах ок. 80 км вносят корпускулярные потоки (напр., электроны с энергией ~< 30-40 кэв), а также, солнечное излучение первой линии серии Лаймана 1026-1-32.jpg водорода с 1026-1-33.jpg = 1215,7 A (Cм. Атомные спектры).
 

Значения характеристик основных областей ионосферы

 

 

 

Электронная концентрация ne , см-3

 

Область ионосферы

Средняя высота максимума, KM

Температура, К

День

Ночь

Эффективный коэффициент рекомбинации а, см3 *сек-1

Солнечная активность

 

 

 

 

максимум

минимум

 

 

D

70

220

100

200

10

10-6

E

110

270

3*105

1,5*105

3000

10-7

F1

180

800-1500

5*105

3*105

 

3*10-8

F2 (зима)

220-280

1000-2000

25*105

6*105

~105

2*10-10

F2 (лето)

250-320

8*105

2*105

3*105

10-10

До сих пор речь шла об обычных условиях ионизации. Во время солнечных вспышек всплеск рентгеновского излучения вызывает внезапное возмущение в нижней части И. Через неск. часов после солнечных вспышек в атмосферу Земли проникают также солнечные космические лучи, которые вызывают повышенную ионизацию на высотах 50-100 км, особенно сильную в полярных шапках (областях вблизи магнитного полюса). В зоне полярных сияний в отдельные периоды времени действуют потоки протонов и электронов, которые вызывают не только ионизацию, но и заметное свечение атмосферы (полярные сияния) на высотах 100-120 км, но они действуют также и ниже, в области D. Во время магнитных бурь эти потоки корпускул усиливаются, а зова их действия расширяется к более низким широтам (иногда т. н. низкоширотные красные сияния наблюдают на широте Москвы и южнее).

Процессом, обратным ионизации, является процесс нейтрализации, или рекомбинации. Скорость исчезновения ионов в И. характеризуется эффективным коэфф. рекомбинации а', к-рый определяет величину nе и её изменение во времени. Напр., когда известен источник ионизации, т. е. скорость образования ионов в1026-1-34.jpg

Значения a' для различных областей И. различны (см. таблицу и рис. 3).

Рис. 3. Среднее измеренное значение эффективного коэффициента рекомбинации а' на высотах 50-300 км.

1026-1-35.jpg

Состав ионосферы. Под воздействием ионизующих излучений в И. происходят сложные физико-химич. процессы, к-рые можно подразделить на три типа: ионизацию, ионно-молекуляр-ные реакции и рекомбинацию, - соответствующие трём стадиям жизни ионов: их образованию, превращениям и уничтожению. В разных областях И. каждый из этих процессов проявляется по-своему, что приводит к различию ионного состава по высоте. Так, днём на высотах 85-200 км преобладают положит, молекулярные ионы NO+и О2+ , выше 200 км в области F - атомные ионы O+, а выше 600-1000 км - протоны H+, В нижней части области D (ниже 70-80 км) существенно образование комплексных ионов-гидратов типа (H2O)nH+, а также отрицат. ионов, из к-рых наиболее стабильны ионы NO2- и NО3-. Отрицат. ионы наблюдаются лишь в области D.

Изменения ионосферы. И. непрерывно изменяется. Различают регулярные изменения и возмущённые состояния. Поскольку осн. источником ионизации является коротковолновое излучение Солнца, многие регулярные изменения И. обязаны изменению либо высоты Солнца над горизонтом (суточные, сезонные, широтные изменения), либо уровня солнечной активности (11-летние и 27-дневные вариации).

После солнечных вспышек, когда резко усиливается ионизующее излучение, возникают т. н. внезапные ионосферные возмущения. Часто возмущённые состояния И. связаны и с магнитными бурями. Многие явления, к-рые происходят в верхней атмосфере и магнитосфере Земли, тесно связаны. Это обусловлено влиянием солнечной активности одновременно на все эти явления. Когда в межпланетном пространстве в районе Земли возрастает солнечный корпускулярный поток, к-рый задерживается магнитосферой, происходит не только возмущение геомагнитного поля (магнитная буря), но изменяются радиационные пояса Земли, усиливаются корпускулярные потоки в зоне полярных сияний и т. д. При этом происходит также дополнит, разогревание верхней атмосферы и изменяются условия ионизации И. В свою очередь, изменения И. и движения в ней влияют на вариации геомагнитного поля и др. явления в верхней атмосфере.

Характеристики ионосферных слоев. Закономерности изменения параметров И. - степень ионизации или nе, ионный состав и эффективный коэфф. рекомбинации различны в разных областях И.; это обусловлено в первую очередь значит, изменением по высоте концентрации и состава нейтральных частиц верхней атмосферы.

В области D наблюдаются наиболее низкие ne < 103 см -3 (рис. 2). В этой области И. из-за высокой концентрации молекул, а следовательно, и высокой частоты столкновения с ними электронов происходит наиболее сильное поглощение радиоволн, что иногда приводит к прекращению радиосвязи. Здесь же, как в волноводе, распространяются длинные и сверхдлинные радиоволны. От всей остальной части И. область D отличается тем, что наряду с положит, ионами в ней наблюдаются отрицат. ионы, к-рые определяют MH. свойства области D. Отрицат. ионы образуются в результате тройных столкновений электронов с нейтральными молекулами O2. Ниже 70-80 км концентрация молекул и число таких столкновений настолько возрастают, что отрицат. ионов становится больше, чем электронов. Уничтожаются отрицат. ионы при взаимной нейтрализации с положит, ионами. T. к. этот процесс очень быстрый, то именно им объясняется довольно высокий эффективный коэфф. рекомбинации, к-рый наблюдается в области D.

При переходе ото дня к ночи в области D концентрация электронов ne резко уменьшается и соответственно уменьшается поглощение радиоволн, поэтому раньше считали, что ночью слой D исчезает. В момент солнечных вспышек на освещённой Солнцем земной поверхности сильно возрастает интенсивность рентгеновского излучения, увеличивающая ионизацию области D, что приводит к увеличению поглощения радиоволн, а иногда даже к полному прекращению радиосвязи, - т. н. внезапное ионосферное возмущение (Делинджера эффект). Продолжительность таких возмущений обычно 0,3-1,5 часа. Более длительные и более значительные поглощения бывают на высоких широтах (т. н. поглощения в полярной шапке - ППШ). Повышенная ионизация тут вызывается солнечными космич. лучами (в основном протонами с энергией в неск. Мэв), которые способны проникнуть в атмосферу только в районе геомагнитных полюсов (полярных шапок), т. е. там, где магнитные силовые линии не замкнуты. Длительность явлений ППШ. достигает иногда неск. дней.

Область И. на высотах 100-200 км, включающая слои E и Fi, отличается наиболее регулярными изменениями. Это обусловлено тем, что именно здесь поглощается осн. часть коротковолнового ионизующего излучения Солнца. Фотохимич. теория, уточняющая теорию простого слоя ионизации, хорошо объясняет все регулярные изменения nе я ионного состава в течение дня и в зависимости от уровня солнечной активности. Ночью из-за отсутствия источников ионизации в области 125-160 км величина nе сильно уменьшается, однако в области E на высотах 100-120 км обычно сохраняется довольно высокая Ив = (3-3O)* 103 см-3. О природе источника ночной ионизации в области E мнения расходятся.

На высотах областей D к Б часто наблюдают кратковременные необычайно узкие слои повышенной ионизации (т. н. спорадические слои Es), состоящие в основном из ионов металлов Mg+, Fe+, Ca+ и др. За счёт Es возможно дальнее распространение телевизионных передач. Признанной теорией образования слоев Es является т. н. теория "ветрового сдвига", по к-рой в условиях магнитного поля движения газа в атмосфере "сгоняют" ионы к области нулевой скорости ветра, где и образуется слой E3.

Концентрация ионов O+ становится больше 50% выше уровня 170-I80 км днём и выше 215-230 км утром, вечером и ночью. Выше и ниже этого уровня условия образования И. совершенно различны. Так, днём в области максимума ионизации коротковолновым излучением Солнца, когда он расположен ниже этого уровня, образуется слой F1. Поэтому слой F1 регулярно наблюдается на ионограммах только при большой высоте Солнца над горизонтом, преим. летом и в основном при низкой активности Солнца, а в максимуме активности зимой он вообще не наблюдается. Выше указанного уровня создаются благоприятные условия для образования области F2.

Поведение гл. максимума ионизации, или области F, является очень сложным, оно коренным образом отличается от поведения областей E и F1. Так, хотя в среднем электронная концентрация в слое F2 определяется солнечной активностью, но ото дня ко дню она сильно изменяется. Максимум nе в суточном ходе бывает сильно сдвинут относительно полудня, при этом сдвиг зависит от широты, сезона и даже долготы. Сезонной аномалией наз. необычное увеличение nе зимой по сравнению с летним сезоном. В экваториальной области до полудня имеется один, а после полудня и ночью - два максимума nе, расположенных на геомагнитных широтах 1026-1-36.jpg (экваториальная или геомагнитная аномалия). В период восхода Солнца оба максимума начинают расходиться, перемещаясь в более высокие широты, и быстро исчезают, в то время как на экваторе образуется новый максимум. На высоких широтах также обнаружено необычное поведение области F п, в частности, образование узкой зоны пониженной ионизации, идущей параллельно зоне полярных сияний, где наблюдается повышенная ионизация. Всё это говорит о том, что, помимо солнечного излучения, изменения п, в области F определяются рядом геофизич. факторов.

Высота гл. максимума И. (hmaxF) в средних широтах Северного полушария изменяется в течение суток сложным образом (рис. 4), глубоко спускаясь утром и достигая максимума вблизи полуночи. Высота слоя F зимой ниже (кривая I), чем летом (кривая II), а при высокой активности Солнца (кривая III) выше, чем при низкой (кривые I и II).

1026-1-37.jpg

Рис. 4. Изменение высоты максимума области F в течение дня по ракетным данным: I и Il - зима и лето при низкой активности Солнца; III - при высокой активности Солнца.

В последнее время была развита новая теория образования области F, учитывающая действие амбиполярной диффузии, к-рая объяснила многие особенности -области F и в т. ч. осн. аномалию - образование максимума ne, значительно выше максимума новообразования, расположенного в области 150 км. Описанные выше вариации высоты слоя F она связывает с изменением в течение дня интенсивности ионизации и температуры атмосферы. Существование слоя F ночью объясняется притоком ионов сверху, из протоносферы, где они накапливаются в течение светлой части дня. Из-за различия механизма образования высота слоя ночью выше, чем днём.

Многие особенности в изменении верхней части И., расположенной над максимумом области F, повторяют суточный ход и глобальное распределение nе в максимуме слоя. Это говорит о тесной связи этих областей И. Выше максимума области F уменьшение концентрации ионов с высотой происходит по барометрической формуле. При этом с увеличением высоты возрастает доля более лёгких ионов. Поэтому преобладание ионов O+ в области F сменяется днём выше 1000 км преобладанием ионов H+ (протоносфера). Ночью в связи с понижением темп-ры протоносфера опускается до высот - 600 км. В верхней части И. по направлению к высоким широтам обнаружен рост доли тяжёлых ионов на данной высоте, что аналогичным образом связывается " наблюдаемым ростом темп-ры. Однако поведение И. в полярных областях пока полностью не объяснено.

Движения потоков заряженных частиц в И. приводят к возникновению турбулентных неоднородностей электронной концентрации. Причины их возникновения - флуктуация ионизующего излучения и непрерывное вторжение в атмосферу метеоров, образующих ионизированные следы. Движение ионизованных масс и турбулентность И. влияют на распространение радиоволн, вызывая замирание.

Изучение И. продолжает развиваться в двух направлениях - с точки зрения её влияния на распространение радиоволн и исследования физико-химич. процессов, происходящих в ней, что привело к рождению новой науки - аэрономии. Совр. теория позволила объяснить и распределение ионов с высотой, и эффективный коэфф. рекомбинации. Ставится задача построения единой глобальной динамич. модели И. Осуществление такой задачи требует сочетания теоретич. и лабораторных исследований с методами непосредственных измерений на ракетах и спутниках и систематич. наблюдений И. на сети наземных станций.

Лит.: Гинзбург В. Л., Распространение электромагнитных волн в плазме, M., 1960; Альперт Я. Л., Распространение радиоволн и ионосфера, M., 1960; Данилов А. Д., Химия, атмосфера и космос, Л., 1968; Ратклиф Дж.А., Уикс К., Ионосфера, в сб.: Физика верхней атмосферы, пер. с англ., M., 1963, с. 339-418; Николе M., Аэрономия, пер. с англ.. M., 1964; Исследования верхней атмосферы с помощью ракет и спутников, пер. с англ., M., 1961; Распределение электронной концентрации в ионосфере и экзосфере. Сб. докладов, пер. с англ., M., 1964; Электронная концентрация в ионосфере и экзосфере. Сб. статей, пер. с англ., M., 1966; Распределение электронов в верхней атмосфере, пер. с англ., M., 1969; Данилов А. Д., Химия ионосферы, Л., 1967; Ионосферные процессы, под ред. В. E. Степанова, Новосиб., 1968; Уиттен P. К. и Поппов И. Д., Физика нижней ионосферы, пер. с англ., M., 1968; Иванов-Холодный Г. С. и Никольский Г. M., Солнце и ионосфера, M., 1969.

Г. С. Иванов-Холодный.

Яндекс.Метрика

© (составление) libelli.ru 2003-2016