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