การแตกตัวเป็นไอออน

การแตกตัวเป็นไอออน (อังกฤษ: Ionization) เป็นกระบวนการหนึ่ง ที่อะตอมหรือโมเลกุลได้รับประจุลบหรือประจุบวกจากการได้มาหรือการเสียไปของอิเล็กตรอนอะตอมหรือโมเลกุลนั้นจึงกลายเป็นไอออน, มักจะเกิดขึ้นร่วมกับการเปลี่ยนแปลงทางเคมีอื่น ๆ การแตกตัวเป็นไอออนอาจเป็นผลมาจากการสูญเสียอิเล็กตรอนหลังจากการชนกันของอนุภาคย่อยของอะตอมด้วยกัน, การชนกันของอะตอมกับอะตอมอื่น ๆ, การชนกันของโมเลกุลกับไอออน, หรือผ่านการมีปฏิสัมพันธ์กับแสง. การแตกตัวเป็นไอออนสามารถเกิดขึ้นได้ผ่านการสลายให้กัมมันตรังสีโดยกระบวนการการแปลงภายใน ซึ่งในกระบวนการนี้ นิวเคลียสที่ถูกกระตุ้นจะถ่ายโอนพลังงานของมันไปให้กับอิเล็กตรอนตัวหนึ่งภายในเปลือกอิเล็กตรอนวงในทำให้อิเล็กตรอนตัวนั้นถูกปล่อยออกมา

ประโยชน์

ตัวอย่างในชีวิตประจำวันของการแตกตัวเป็นไอออนของก๊าซได้แก่อย่างเช่นภายในหลอดฟลูโอเรสเซนต์หรือหลอดประจุไฟฟ้าอื่น ๆ นอกจากนี้มันยังถูกใช้ในการตรวจจับรังสีเช่นเครื่องวัดกัมมันตภาพรังสี Geiger-Müller หรือห้องการแตกตัวเป็นไอออน ขั้นตอนของการแตกตัวเป็นไอออนถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในอุปกรณ์ที่หลากหลายทางวิทยาศาสตร์พื้นฐานและในเครื่องวิเคราะห์สเปกตรัมของมวลและในการทำรังสีบำบัด

การผลิตไอออน

ผลจากหิมะถล่มระหว่างสองขั้วไฟฟ้า เหตุการณ์การแตกตัวเป็นไอออนเดิมจะปลดปล่อยอิเล็กตรอนให้เป็นอิสระ, และการชนต่อมาแต่ละครั้งจะปล่อยอิเล็กตรอนต่อไปอีก, ดังนั้นจะได้อิเล็กตรอนสองตัวเกิดขึ้นจากการชนแต่ละครั้ง: ตัวหนึ่งเป็นอิเล็กตรอนจากการแตกตัวเป็นไอออนและอีกตัวหนึ่งเป็นอิเล็กตรอนอิสระ

ไอออนประจุลบจะถูกผลิตขึ้นเมื่ออิเล็กตรอนอิสระชนเข้ากับอะตอมและต่อมามันก็จะถูกขังอยู่ภายในกำแพงศักย์ไฟฟ้า, ปล่อยพลังงานส่วนเกินที่มีออกมา กระบวนการนี​​้เป็นที่รู้จักกันว่าเป็น (อังกฤษ: electron capture ionization) (เป็นการแตกตัวเป็นไอออนของอะตอมหรือโมเลกุลที่อยู่ในขั้นตอนที่เป็นก๊าซโดยการแปะติดอิเล็กตรอนเข้าไปเพื่อสร้างไอออนในรูปแบบของ A^–• ตามสมการ ${\displaystyle A+e^{-}{\overset {M}{\to }}A^{-}}$ เมื่อ M เหนือลูกศรหมายความว่าในการที่จะอนุรักษ์พลังงานและโมเมนตัม บุคคลที่สามต้องเข้ามามีส่วนร่วม (จำนวนของโมเลกุลที่เข้าทำปฏิกริยาคือสาม) การจับยึดอิเล็กตรอนสามารถถูกนำมาใช้ร่วมกับการแตกตัวเป็นไอออนด้วยวิธีทางเคมี (อังกฤษ: chemical ionization) เครื่องตรวจจับการจับยึดอิเล็กตรอนจะถูกนำมาใช้บางระบบของการแยกสีของก๊าซ (อังกฤษ: gas chromatography))

ไอออนประจุบวกจะมีการผลิตโดยการโอนพลังงานในจำนวนที่เพียงพอให้กับอิเล็กตรอนที่ถูกยึดเหนี่ยวไว้ในการปะทะกันกับอนุภาคที่มีประจุ (เช่นไอออน, อิเล็กตรอนหรือโพสิตรอน) หรือกับโฟตอน จำนวนที่เป็นเกณฑ์ของพลังงานที่ต้องใช้จะถูกเรียกว่าพลังงานศักย์ในการแตกตัวเป็นไอออน การศึกษาการชนกันดังกล่าวเป็นความสำคัญขั้นพื้นฐานในเรื่องเกี่ยวกับ few-body problem (ดูบทความเกี่ยวกับ few-body problem) ซึ่งเป็นหนึ่งในปัญหาที่ยังแก้ไม่ได้ที่สำคัญในสาขาฟิสิกส์ ในมุมมองของพลังงานจลน์ การทดลองที่สมบูรณ์ เช่นในการทดลองที่จะกำหนดเวกเตอร์โมเมนตัมที่สมบูรณ์ของทุกชิ้นส่วนเศษซากการชนทั้งหมด (กระสุนววิถีกระจาย, เป้าหมายไอออนที่ recoiling และอิเล็กตรอนพุ่งออกมา) ได้มีส่วนร่วมให้กับความก้าวหน้าที่สำคัญในการทำความเข้าใจในทฤษฎีของ few-body problem ในหลายปีที่ผ่านมา

การแตกตัวเป็นไอออนแบบไม่สูญเสียหรือได้รับความร้อน (อังกฤษ: Adiabatic ionization) เป็นรูปแบบหยึ่งของการแตกตัวเป็นไอออนที่อิเล็กตรอนถูกย้ายออกจากหรือเพิ่มเข้าให้อะตอมหรือโมเลกุลในสถานะพลังงานต่ำสุดเพื่อสร้างไอออนในสถานะพลังงานที่ต่ำสุดของมัน

หิมะถล่มทาวน์เซนด์ (อังกฤษ: Townsend avalanche) เป็นตัวอย่างที่ดีของการสร้างไอออนบวกและอิเล็กตรอนอิสระเนื่องจากการกระทบของไอออน มันเป็นปฏิกิริยาที่ลดหลั่นที่เกี่ยวข้องกับอิเล็กตรอนในภูมิภาคท​​ี่มีสนามไฟฟ้าที่สูงพอสมควรในตัวกลางที่เป็นก๊าซที่สามารถถูกทำให้แตกตัวเป็นไอออนได้เช่นอากาศ หลังเหตุการณ์แตกตัวเป็นไอออนแต่เดิม อย่างเช่นเนื่องจากการแผ่รังสีโดยการแตกตัวเป็นไอออน ไอออนประจุบวกจะลอยไปที่แคโทด ในขณะที่อิเล็กตรอนอิสระจะลอยไปยังแอโหนดของอุปกรณ์ ถ้าสนามไฟฟ้ามีความแข้มพอเพียง อิเล็กตรอนอิสระอาจได้รับพลังงานเพียงพอที่จะปลดปล่อยอิเล็กตรอนต่อไปอีกในการชนครั้งต่อไปกับโมเลกุลอื่น ทั้งสองอิเล็กตรอนอิสระนั้นจะเดินทางไปยังแอโหนดและได้รับพลังงานที่เพียงพอจากสนามไฟฟ้าที่จะทำให้เกิดการแตกตัวเป็นไอออนจากการกระทบเมื่อมีการชนครั้งต่อไปเกิดขึ้น; และเกิดขึ้นเช่นนี้ต่อไปเรื่อย ๆ นี้เป็นปฏิกิริยาลูกโซ่อย่างมีประสิทธิภาพของการผลิตอิเล็กตรอนและจะขึ้นอยู่กับอิเล็กตรอนอิสระที่ได้รับพลังงานที่เพียงพอระหว่างการชนกันที่จะรักษาสภาวะหิมะถล่มให้ยั่งยินต่อไป

ประสิทธิภาพของการแตกตัวเป็นไอออนคิดเป็นอัตราส่วนระหว่างจำนวนของไอออนที่ได้ต่อจำนวนของอิเล็กตรอนหรือโฟตอนที่ใช้

อ้างอิง

1. IUPAC, Compendium of Chemical Terminology, 2nd ed. (the "Gold Book") (1997). Online corrected version: (2006–) "Ionization".
2. Donald F. Hunt; Frank W. Crow (1978), "Electron capture negative ion chemical ionization mass spectrometry", Analytical Chemistry, 50 (13): 1781, doi:10.1021/ac50035a017{{}}: CS1 maint: multiple names: authors list ()
3. IUPAC, Compendium of Chemical Terminology, 2nd ed. (the "Gold Book") (1997). Online corrected version:  (2006-) "electron capture detector (in gas chromatography)".
4. Schulz, Michael (2003). "Three-Dimensional Imaging of Atomic Four-Body Processes". Nature 422: 48–51. Bibcode:2003Natur.422...48S. doi:10.1038/nature01415.
5. IUPAC, Compendium of Chemical Terminology, 2nd ed. (the "Gold Book") (1997). Online corrected version: (2006–) "adiabatic ionization".
6. Glenn F Knoll. Radiation Detection and Measurement, third edition 2000. John Wiley and sons,
7. Todd, J. F. J. (1991). "Recommendations for Nomenclature and Symbolism for Mass Spectroscopy (including an appendix of terms used in vacuum technology)(IUPAC Recommendations 1991)". Pure & Appl. Chem. 63 (10): 1541–1566. doi:10.1351/pac199163101541.
8. IUPAC, Compendium of Chemical Terminology, 2nd ed. (the "Gold Book") (1997). Online corrected version: (2006–) "ionization efficiency".