יינון

אנרגיות יינון של יסודות שונים כפונקציה של המספר האטומי. בגרף מצוינים הגזים האצילים אשר נמצאים בסוף השורות בטבלה המחזורית.

יינון (בלועזית: Ionization) הוא התהליך שבמהלכו משתנה המטען החשמלי של אטום, יון או מולקולה כתוצאה מקליטה או שחרור של אלקטרון אחד או יותר. על מנת לגרום לשחרור של אלקטרון מאטום, יון או מולקולה, יש להשקיע אנרגיה גבוהה דיה כדי לפרק את הקשר החשמלי בין האלקטרון לבין הפרוטונים שבגרעין האטום. אנרגיה זו מכונה "אנרגיית יינון". בתהליך ההפוך, שבו נקלט אלקטרון, משתחררת אנרגיה הנמדדת על ידי זיקה אלקטרונית.

ככל שהרדיוס האטומי גדול יותר, תידרש השקעה פחותה יותר של אנרגיית יינון. בדרך כלל אנרגיית היינון הולכת וגדלה לקראת הצד הימני-העליון של טבלת היסודות מפני שככל שנלך ימינה בשורה, הכוח החשמלי יגדל ולכן אנרגיית היינון תגדל. עם זאת, ישנן חריגות מכלל זה.

גורמים משפיעים

• מרחק: ככל שהמרחק שבין האלקטרון שיוצא מהאטום לגרעין גדל, הכוח החשמלי חלש יותר. מספר רמות האנרגיה הוא מדד למרחק ולכן ככל שיש יותר רמות אנרגיה, אנרגיית היינון קטנה. באותו טור בטבלה המחזורית, ככל שנרד למטה אנרגיית היינון תקטן.
• מטען הגרעין: ככל שמטען הגרעין גדול יותר, המשיכה החשמלית גדולה יותר, ותידרש יותר אנרגיה כדי להביא לעזיבתו של האלקטרון (בצורונים בעלי מספר אלקטרונים זהה, (איזואלקטרונים).

שימוש

דוגמאות יומיומיות של יינון גזים הן למשל נורה פלואורסצנטית או נורות חשמליות אחרות. ביינון משתמשים גם בגלאי קרינה כמו גייגר-מולר או תאי יינון. משתמשים בתהליך היינון באופן נרחב בציוד תעשייתי ומדעי למשל במנועי יונים וכן בספקטרוסקופיה והקרנות רפואיות.

ייצור יונים

יונים טעונים שלילית נוצרים כאשר אלקטרון חופשי מתנגש באטום ולאחר מכן נלכד בתוך מחסום פוטנציאל האטום, ומשחרר את כל האנרגיה העודפת. התהליך ידוע בשם יינון אלקטרון. יונים טעונים חיובית נוצרים בהעברת כמות מספקת של אנרגיה לאלקטרון קשור. סכום הסף של האנרגיה הדרושה נקרא "אנרגיית היינון". יינון אדיאבטי הוא צורת יינון שבה האלקטרון נפלט או נוסף לאטום או למולקולה ברמת האנרגיה הנמוכה ביותר שלה.

מפולת טאונסנד היא דוגמה טובה של ייצור יונים חיוביים ואלקטרונים חופשיים בעקבות השפעת היונים. זוהי תופעת מפולת שמעורבים בה אלקטרונים באזור של שדה חשמלי חזק בתוך גזים שיכולים ליינן, כמו אוויר. בהתאם לתהליך היינון המקורי, בעקבות קרינה חזקה כל כך של יונים, היון החיובי נסחף לעבר הקטודה, בזמן שהאלקטרון החופשי נסחף לכיוון האנודה של המכשיר. אם השדה החשמלי חזק מספיק, האלקטרון החופשי צובר אנרגיה מספיקה כדי לשחרר אלקטרון רחוק יותר כשהוא נתקל בו. שני האלקטרונים החופשיים הללו נעים יחד לכיוון האנודה וצוברים אנרגיה מספקת מהשדה החשמלי כדי לגרום ליינון אטומים נוספים וכן הלאה. תהליך זה אפקטיבי במיוחד בתגובות שרשרת, ותלוי בצבירת האנרגיה של האלקטרונים החופשיים.

המגמה באנרגיית היינון של אטומים היא להמחיש את ההתנהגות המחזורית של אטומים בהקשר למספרם האטומי, וסידורים בהתאם לטבלה המחזורית של מנדלייב. הטבלה היא כלי שימושי מאוד לייצור והבנה של סידור האלקטרונים ברמות האטומיות בלי להיכנס לפרטים ולנוסחאות מסובכות. המחזוריות קטנה בעת יינון אטומים בגזים לא צפופים.

פיזיקה קלאסית

פיזיקה קלאסית ומודל בוהר לאטום יכולים להסביר באופן איכותי את פליטת הפוטונים והיינון באטום. במקרים אלו, במהלך תהליך היינון, האנרגיה של האלקטרון כוללת את הפרש האנרגיה בין רמות האנרגיה שביניהן הוא עובר. התיאור הקלאסי לא יכול להסביר את תעלת היונים כיוון שבמקרה זה התהליך כולל מעבר של האלקטרון דרך מחסום פוטנציאל שלא מתואר בפיזיקה הקלאסית.

מכניקת הקוונטים

האינטראקציה בין אטומים ומולקולות עם זרם חזק מספיק מובילה ליינון של אטום או מספר אטומים. את מדד היינון, כלומר ההסתברות של יינון בזמן מוגבל, אפשר לחשב בעזרת מכניקת הקוונטים. באופן כללי, הפתרונות האנליטיים לא אפשריים, והקירובים דורשים שליטה מתמטית טובה מאוד. בכל מקרה, כשזרם האטומים די חזק, ניתן להתעלם מהמבנה של האטום או המולקולה ופתרון אנליטי למדד היינון הוא אפשרי.

תעלות אטומים

ביינון הקלאסי, אלקטרון חייב לרכוש די אנרגיה על מנת להתגבר על מחסום האנרגיה של המעבר בין הרמות האטומיות. לעומת זאת, בתעלות הקוונטיות מאפשרות לאלקטרון פשוט לעבור דרך מחסום האנרגיה במקום ללכת כל הדרך, בזכות התכונה הגלית של האלקטרון. מכאן, אלקטרון בעל אנרגיה גבוהה יותר יכול לעבור את מחסום האנרגיה בקלות, ויש לו סיכוי גבוה יותר לעשות זאת. במציאות, תעלת יונים אפשרית כאשר לאטום או למולקולה יש אינטראקציה עם הזרם החזק של האטומים. התהליך הזה יכול להיות מובן כתהליך שבו אלקטרון לא יציב, מושפע מהיונים הסובבים אותו.

קרינה מייננת

תהליך היינון יכול להתרחש כתוצאה מקרינות מסוימות, מדובר בקרינות בעלות עוצמה גבוהה, כלומר קרינות בעלות אורך גל קצר. קרינה כזו נקראת קרינה מייננת. לקרינה זו יכולים להיות שימושים רבים, גם בגלל העוצמה שלה, וגם בגלל ההשפעה המייננת שלה. אמנם, קרינה זו עלולה גם להיות מסוכנת כאשר נחשפים אליה יותר מדי, ומעלה את הסיכון למחלת הסרטן.

קישורים חיצוניים

• אנרגיית יינון - בספרייה של מטח.
• אנרגיית יינון - באתר לרגו (LerGO).
• יינון, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית)
• ינון, דף שער בספרייה הלאומית