IONS et IONISATION

-ions et ionisation

L'ionisation est le résultat d’une modification du nombre d’électrons dans un atome (ou 1 molécule) qui était initialement électriquement neutre

Par exemple, il y a ionisation par la perte d’un électron de valence (car ce dernier a acquis une énergie plus forte, grâce à un photon ou une hausse de chaleur) 

ION

Quand la charge de l’atome ou de la molécule initialement neutre a changé (naturellement ou artificiellement), on a désormais :

-soit un ion positif (ou cation)= atome en manque d’électron

-soit un ion négatif (ou anion)= atome à excès d’électron

Les corps simples ont tous la possibilité de fournir des ions, ayant une charge comprise entre -4 et +7 (chiffre qui représente les électrons perdus/gagnés)

-dimension des ions: leur rayon est compris entre 4 et 40.10-11 m

-vitesse des ions dans un gaz ou un électrolyte

v = ¥.E

avec v(m/s)= vitesse d'ions se déplaçant dans un gaz sous un

champ d’induction électrique E(V/m)

¥(A-s²/kg)= mobilité des ions

-durée de vie des ions

t = 1 / h*v .Qr

t(s)= durée de vie des ions

h*v(particules/m3)= = densité volumique ionique

Qr(m3/s-part)= débit d’ions recombinés (dit parfois coefficient de recombinaison)

-mobilité d'ions(en Tesla-1) dans l'air et à pression normale: c'est l'équivalent d'une dose d'exposition pendant un certain temps

Mobilité pour des ions positifs: air sec(1,3.10-2)--air humide(1,5.10-2)--CO²(0,8.10-2)

et pour les ions négatifs environ 20% de plus

 

IONISATION

C’est la modification d’un atome -ou molécule- entraînant modification du nombre d'électrons.On dit alors parfois "atome ou molécule ionique"

Pour un atome qui perd des électrons, on distingue un classement, selon la facilité d’extraction électronique: on dit Première ionisation pour un 1° électron arraché (en général sur une couche externe), puis Seconde,Troisième ionisation..., etc  pour les arrachements ultérieurs, plus profonds donc plus difficiles

Ionisation dans un plasma >>> voir chapitre Plasma

 

-causes ionisantes (pouvant faire apparaître un ion à partir d’un élément électriquement neutre): ce sont les rayons de forte énergie (X, gamma...),ou certaines particules élémentaires (radioactivité), ou les décharges électriques (potentiel disruptif entre électrodes).

Toute particule chargée est possiblement ionisable.

 

-énergie d’ionisation -dite parfois "potentiel énergétique d'ionisation" et dite aussi "travail de sortie"-

C'est l’énergie qu’il est nécessaire d’apporter pour un arrachement d’électron, sans communiquer d’énergie cinétique à l’atome

Ei = Z2.e4.m / (h.ε0.Ω.n) 2

où Ei(J)= énergie d’ionisation pour l’électron d’un corps de numéro atomique Z

e(C)= charge électrique élémentaire

m(kg)= masse de l’atome

h (J-s)= action quantum (constante de Planck = 6,62606876.10-34 J-s)

ε0(F/m-sr)= permittivité du vide (8,854187817.10-12 F/ m)

Ω(sr)= angle solide d’ambiance (4pi sr si c’est l’espace entier et si le système d’unités a le stéradian comme unité d’angle)

n(nombre)= numéro de l’orbite électronique où est l’électron

Pour les corps simples, les valeurs de Ei oscillent autour de 8 eV,avec des extrêmes allant de 3 eV (pour le francium ) à une quinzaine d'eV pour les gaz rares(car ils ont forte stabilité, due à l’ancrage de leurs électrons) et jusqu'à 25 eV (pour l’hélium,qui est le plus stable)

Pour les corps composés bio (à base de H,O,N,halogènes) les valeurs sont environ de

10 (+ ou - 4)eV    Rappel: 1 eV =1,602.10-19 Joule

Le photon qui a apporté cette énergie d’ionisation, apporte en sus une autre partie d’énergie qui lance l’électron à une vitesse v en lui conférant une énergie cinétique

(m.v²/2) = 1/2 énergie potentielle moyenne d’attraction

 

-potentiel d’ionisation = potentiel électrique nécessaire pour obtenir une énergie d’ionisation d'un corps (souvent un gaz)

= Ei.e

avec U(V)= potentiel d’ionisation

Ei(J)= énergie d’ionisation

e(C)= charge élémentaire (1,6021733.10-19 C)

La résistance électrique R du gaz étant variable :

--si l’on a un U faible, on est conforme à la loi d’Ohm = R.i (avec R = l / s‘.S  où l est la distance entre électrodes, S la surface des électrodes et s' la conductivité électrique du gaz) Alors l’ionisation est partielle et il y a des recombinaisons

--pour U plus élevé, il n‘y a plus de loi d’Ohm, R est constante et l’ionisation est totale, sans recombinaison

--pour U encore plus élevé, il y a ionisation complémentaire due aux chocs entre atomes, suite à l’augmentation de leur énergie cinétique

 

-pouvoir ionisant (ou irradiant)

Il caractérise l’apparition (émission) d’ions dans un milieu où se transmet (c'est à dire "est soumis à") un rayonnement

Le pouvoir ionisant des ions-particules est 103 plus fort que celui des électrons d'énergie identique

Ce pouvoir est yi ( sans dimension), pourcentage de puissance émise, comparée à celle d'un émetteur idéal  avec   yi = P/ Pi

où Pa = puissance (flux) reçu et à fonction ionisante d'un rayonnement émis par la source

Pi = puissance lumineuse émise du corps noir équivalent, dans les mêmes conditions

 

-taux d'ionisation: c'est le pourcentage d'ions dans un ensemble particulaire

 

-décharges d’ionisation: quand une différence de potentiel électrique est présente entre 2 électrodes baignant dans un gaz, à partir d’une certaine valeur (disruptive), il y a ionisation brusque, dite décharge

-pour une densité sup de courant ρ* < à 10-10 A/m², il peut y avoir une décharge obscure

-pour ρ* allant de 10-9 jusqu’à 10-4 A/m², il y a décharge lumineuse

-pour ρ* supérieur à 10-7 A/m², il y a décharge à arc (l’intensité présente un pic lumineux)

Les décharges en tube agissant sur une couche (sensible aux électrons) , pré-déposée dans le tube, créent une luminescence

 

-ionisation atmosphérique

Les décharges orageuses interviennent dès qu'un champ électrique naturel atteint au moins (105) V/m

Les ions légers côtoient dans l'atmosphère des ions lourds (plus rares) et les conditions ambiantes modifient profondément la distribution des ions dans l'atmosphère.

Dans un cm3 d’air normal, il y a # 2,8.1019 molécules, mais il n’y en a qu'une partie sous forme d'ions (créés par les rayons électromagnétiques en provenance de l’espace)

-un facteur de changement de distribution ionique est l'altitude (essentiellement pour les petits ions) car tous les 2 m d'élévation, on a 1 ion/cm3, en plus.

-un autre facteur de variation distributive est la qualité du support terrestre >>

sur l'océan, on a une moyenne de 1000 ions/cm3 (avec mini de 1 et maxi de 40.000), avec beaucoup d'ions légers

sur les terres, on a en moyenne 10.000 ions/cm3 (avec mini de 200 et maxi de 300.000)

dans les villes, on a en moyenne 100.000 ions/cm3 (avec mini de 1.000 et maxi de 4.000.000) avec peu d'ions légers

Les ions négatifs légers ont une prépondérance faste sur la santé

 

-ionosphère

L'ionosphère est la zone située entre # 70 et 600 km d'altitude autour de la Terre et qui comporte une bonne quantité d'ions positifs.Elle forme, avec la Terre chargée négativement, un énorme condensateur de capacité # 10-4 Farad avec création d'un champ électrique E de l'ordre de 200 V/m qui varie (oscillle)

La résonance entre ce champ et le champ terrestre établit une fréquence de résonance fd'environ 8 Hertz qui varie au cours des temps (elle a tendance à augmenter)

On la dénomme fréquence de résonance de Schuman

 

RECOMBINAISON IONIQUE

C'est le contraire de l’ionisation -donc c'est une recomposition d’atomes ou molécules, à partir d’ions (+) et d’électrons(-), souvent sous impact de la température-

Q= 1 / h*v.t

avec Qr(m3/s-part)= débit d’ions recombinés (dit parfois coefficient de recombinaison)

t(s)= durée de vie des ions

h*v(particules/m3)= densité volumique ionique

380.000 ans après le Big bang, il y eut une recombinaison.Les électrons et protons qui coexistaient auparavant en un plasma originel, se combinèrent pour la première fois et les photons purent alors sortir. Certains estiment que ce fut là la création du temps, puisque sans photons, on ne pouvait pas, auparavant ''voir'' la modification du monde (et le temps est, par définition, la perception du changement)

SPECTROGRAPHE DE MASSE

C'est un appareil produisant des ions issus d'un corps échantillon et qui les sépare, les détecte et les compte

La séparation se fait grâce aux (potentiel et champ) d'induction électriques

m / = / v²

avec m(kg)= masse de l'ion de charge Q(C)

U(V)= potentiel électrique d'induction auquel sont soumis les ions

v(m/s)= vitesse de l'ion

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