الإيونات ومصادرها

ايونات ومصادرها

Ions and Ion sources - Ions et sources d'ions

الإيونات ومصادرها

طاقة التأين

التفاعلات المؤينة

المنابع الإيونية

أنواع المنابع الإيونية

تطبيقات

الإيون ion هو جسيم مشحون بشحنة كهربائية مساوية شحنة الإلكترون أو أكثر، ويتكون من ذرة (أيون ذري) أو مجموعة من الذرات (أيون جزيئي)، وتدعى الإيونات التي تحمل شحنة موجبة بالكاتيونات cations، في حين تدعى أنيونات anions إذا كانت شحنتها سالبة. وتعرف الإيونات إذاً على أنها ذرات أو جزيئات لا يتساوى فيها عدد الإلكترونات (السالبة الشحنة) مع عدد البروتونات (الموجبة الشحنة)، فإذا غلب عدد الإلكترونات على عدد البروتونات سميت أنيونات، في حين تسمى كاتيونات في حال كان عدد البروتونات أكبر من عدد الإلكترونات. تتشكل الإيونات عامةً من إضافة إلكترون أو أكثر أو نزعها من الذرات أو الجزيئات المعتدلة الشحنة وذلك في عمليات التصادمات المؤِّينة أو من خلال كسر الارتباط بين ذرتين في الأوساط السائلة بحيث تأخذ إحدى الذرتين إلكتروني الرابطة وتصبح أنيوناً وتخسر الأخرى هذين الإلكترونين وتصبح كاتيوناً.

لا تتشكل الإيونات على نحو واسع في الطبيعة ولكن ذلك ممكن في الحالات الغازية شديدة التفاعلية، كما في حالات البرق بين الغيوم واللهب والانفراغ الكهربائي والبلازما، فهي سرعان ما تتفاعل لتعديل شحنتها فتشكل ذرات أو جزيئات معتدلة. تتشكل الإيونات أيضاً في الأوساط السائلة كما يحدث للملح (NaCl) عند انحلاله في الماء حيث تتباعد ذرتا الكلور والصوديوم عن بعضهما مشكلةً أنيوناً (-Cl) وكاتيوناً (+Na). يكون الأنيون عموماً أكبر حجماً من الذرة أو الجزيء الأم بسبب التنافر بين الإلكترونات، في حين يكون الكاتيون أصغر حجماً.

طاقة التأين

طاقة التأين (أو ما يقابله من كُمون التأين) ionization energy هي أقل طاقة لازمة لنزع إلكترون من الذرة أو الجزيء في الحالة الغازية، وطاقة التأين الثاني هي الطاقة اللازمة لنزع الإلكترون الثاني بعد الأول، وطاقة التأين الثالث هي الطاقة اللازمة لنزع الإلكترون الثالث بعد نزع الثاني، وهكذا. وتكون طاقة كل تأين أكبر من طاقة التأين السابق لها.

تميل الذرة في حالة الإيونات الذرية إلى تشكيل كاتيون أو أنيون تبعاً لعدد الإلكترونات في المدارات الإلكترونية الأبعد عن النواة، فتسعى كل ذرة نحو الحالة الأكثر استقراراً من خلال فَقْد الإلكترونات أو اكتسابها للحصول على مدارات مكتملة بالإلكترونات بشكلٍ مشابه للذرة الأقرب لها من ذرات العمود الأخير في الجدول الدوري (الغازات النادرة) والتي تكون مداراتها الإلكترونية ممتلئة، وهي بالتالي ذرات مستقرة كيميائياً. يُدعى ميل الذرات إلى فقد الإلكترونات بالكهرجابية، أما ميلها إلى كسب الإلكترونات فيدعى الكهرسلبية. فمثلاً لدى ذرة الصوديوم إلكترون منفرد في المدار الأخير، وبخسارة هذا الإلكترون تصبح الذرة كاتيوناً +Na بعدد إلكترونات مماثل لعدد إلكترونات ذرة النيون، من جهةٍ أخرى فإن ذرة الكلور أقرب إلى ذرة الأرغون من ذرة النيون ومن الأسهل اكتساب إلكترون لتصبح -Cl بعدد إلكترونات مماثل للأرغون. وهذا ما يحدث في محلول ملح كلوريد الصوديوم فيتشكل كاتيون الصوديوم وأنيون الكلور. ومن الممكن تشكيل كاتيون الكلور في الحالة الغازية في تفاعلات التصادم المؤينة بحيث يتم نزع إلكترون أو أكثر من ذرة الكلور تبعاً لمقدار الطاقة المقدمة وتبعاً لطاقة ارتباط الإلكترونات بذرة الكلور. وتعرف ذرة السيزيوم Cs بأنها الذرة التي لديها أقل طاقة تأين بين جميع الذرات، في حين يمتلك الهليوم He الذي لديه إلكترونان فقط أعلى طاقة تأين.

التفاعلات المؤينة

تتولد الإيونات بآلياتٍ وتفاعلاتٍ مختلفة، من أهمها ما يلي:

1. التأين بالإلكترونات electroionization: يحدث بفعل اصطدام إلكترون () مع ذرة أو جزيء بحيث تكون طاقة الإلكترون كافية لنزع إلكترون أو أكثر من الذرة (A)، ويكتب هذا على صورة المعادلة (1):

تنشأ الإلكترونات المستخدمة تجريبياً في مثل هذه التفاعلات من منبع إلكتروني أو عبر انفراغ كهربائي بين مصعد ومهبط.

2. التأين بالفوتونات photoionization: يحدث بفعل اصطدام فوتون مع ذرة أو جزيء، بحيث تكون طاقة الفوتون كافية لنزع إلكترون أو أكثر من الذرة (A) (المعادلة 2):

وهنا تنشأ الفوتونات من أي مصدر للضوء يقدم طاقة كافية لحدوث هذا التفاعل؛ وإن أهم مصادر الفوتونات تجريبياً هي الليزرات وأشعة مسرِّعات السنكروترون وبعض المصابيح الضوئية.

3. القذف الذري atomic bombardment: يحدث بفعل اصطدام ذرة أو إيون (+B) بطاقة عالية (في مجال الكيلو-إلكترون فولط أو أكثر) مع ذرة أو جزيء (A) (المعادلة 3):

تستخدم هذه الآلية في مطيافية كتلة الإيونات الثانوية secondary ion mass spectrometry

4. أسر الشحنة: يحدث عند عبور إيون موجب (+A) أو ذرة (A ) عبر بخار من ذرات كالليثيوم Li أو الروبيديوم Rb التي لديها عتبة تأين منخفضة نسبياً، تتميز بها ذرات العمود الأول من باقي عناصر الجدول الدوري أي مثلاً (المعادلة 4):

تستخدم هذه الآلية في المنابع الإيونية لتوليد الأنيونات في المسرعات الإيونية التي تعتمد مبدأ عكس شحنة الإيونات لمضاعفة الطاقة كما في المسرعات الإيونية من نوع تنديترون tandetron.

5. التأين بالأشعة: تؤين الأشعة الكونية الذرات والجزيئات الموجودة في أجواء الكواكب، وهناك ذرات في الطبيعة كالرادون تصدِر بتفككها أشعة ألفا التي يمكن أن تؤين مكونات الهواء في مسارها الذي يبلغ بضعة سنتيمترات فيه. وهناك منابع إيونية مشعة تعتمد هذا المبدأ، حيث يستخدم الإشعاع الصادر عن منابع مشعة مثل ²⁴¹Am أو ⁶³Ni لتأيين الغازات وتشكيل إيونات منها.

المنابع الإيونية

يحقق وجود الشحنة في الإيونات إمكان تسريعها بوساطة حقل كهربائي وإمكان حرفها عن مسارها في حالة الحركة بوساطة حقل مغنطيسي، وتسمح هذه الميزة غير الموجودة في الذرات باستعمال الإيونات في مسرِّعات مختلفة كالمسرِّعات الإيونية والسيكلوترون والمصادمات الذرية وغيرها. تسرّع الحزم الإيونية في المسرِّعات بدءاً من المنابع الإيونية التي يمكن أن تختلف من الناحية التقنية تبعاً لنوع الإيون (موجب أوسالب أو إيون ذري ثقيل). وإن المنابع الإيونية هي مصادر لتوليد الإيونات بأشكالٍ وطرائق مختلفة قد تكون من الحالة الصلبة أو من البلازما أو الانفراغ الكهربائي في الحالة الغازية، ومنها ما يأتي:

أ- منابع الرشرشة sputtering sources: تُدعى أيضاً المنابع الصلبة بسبب الحصول على الإيونات فيها من المادة الصلبة (الهدف target). وتعتمد على تأيين ذرات السيزيوم- بوجود حقل مغنطيسي دائم- باستخدام وشيعة تُسخن عبر مرور تيارٍ كهربائي فيها. تسرِّع إيونات السيزيوم بطاقة قيمتها عدة إلكترونات- فولط (E1) باتجاه سطح الهدف فتقتلع منه ذرات، وتتجمع ذرات السيزيوم كطبقة على السطح. تكتسب الذرات المقتلعة من السطح إلكترونات من السيزيوم فتصبح أنيونات، فتُسرّع بوساطة إلكترود يُطبق عليه جهد موجب فتكتسب طاقة أخرى مقدارها (E2)، وتصير طاقة الأنيونات الكلية التي تخرج بها من المنبع هي: E=E1+E2. يُستخدم هذا النوع من المنابع في المسرعات الإيونية، ويسمح بتسريع أنيونات جميع الذرات عبر تغيير تركيب الهدف، فمثلاً يسمح استعمال ملح الطعام في الهدف بتسريع ذرة الكلور أو الصوديوم وغيرها من الذرات.

ب- منابع البلازما والانفراغ الغازي: تستخدم هذه المنابع منبع بلازما plasma source أو انفراغ كهربائي electric discharge لتوليد الإيوناتز

أنواع المنابع الإيونية:

1- منابع البلازما الثنائية duoplasmatron: وفيها تؤيِن الإلكترونات الصادرة من تسخين سلك بوساطة تيار كهربائي غاز الهدروجين أو الهليوم أو سواه، الذي يُحقن بدوره في حجرة يحيط بها ملف كهربائي يولد حقلاً مغنطيسياً يمكن التحكم بشدته، من خلال شدة التيار المار فيه، وذلك للحصول على بلازما مستقرة تسمح باستخلاص الإيونات الموجبة منها، والتي تتمركز عموماً في مركز البلازما فيما تحيط بها الشحنات السالبة. تتجمع البلازما نتيجة وجود إلكترود بينيّ intermediate electrode وضبط لتدفق الغاز والحقل المغنطيسي في منطقتين، وهذا سبب تسميتها البلازما الثنائية. تسرّع الكاتيونات مثل (+H و+He وغيرها) من مركز البلازما في هذه المنابع، ويمكن تمرير حزمة الإيونات الصادرة عنها عبر بخار الليثيوم الذي يمنح إلكترونات للحصول على أنيون، ويُستعمل ذلك للحصول على (-He). أما الحصول على أنيون الهدروجين (-H) فيجري باستخلاص إيونات الهدروجين من محيط مركز البلازما.

2- منبع البلازما المقترنة تحريضياً inductively coupled plasma حيث تتولد الإيونات في بلازما يكون فيها مصدر الطاقة من تيارات كهربائية ناتجة من تحريض كهرطيسي تؤمِّنه حقول مغنطيسية متغيرة، وقد يكون منشأ البلازما من البلازما المحرّضة مكروياً microwave induced plasma، وهي نوع من أنواع البلازما عالية الكثافة التي تتولد في انفراغ غازي من دون وجود إلكترودات انفراغ، وإنما هناك أشعة كهرطيسية عالية التردد في مجال الغيغا-هرتز (GHz).

3- الانفراغ التوهجي glow discharge: هو شكل من أشكال البلازما التي تتشكل عند مرور تيار بجهد تمثل قيمته 100 فولط حتى عدة كيلوفوطات في وسط غازي منخفض الضغط وغالباً ما يكون من الغازات النبيلة كالنيون مثلاً، وهذا ما يحدث في مصابيح النيون.

4- التأين بالشرارة spark ionization: فيه يجري توليد إيونات في الطور الغازي بدءاً من الحالة الصلبة نتيجة حدوث شرارة بين إلكترودين طُبّق عليهما كُمون عالٍ. ويستخدم هذا المبدأ في مطيافية الكتلة Spark

(Source Mass Spectrometry (SSMS.

5- منبع الانجراف الإيوني المغلق closed drift ion source: فيه يُستعمل حقل مغنطيسي قطري في تجويف حلقي الشكل؛ ما يسمح بتجميع الإلكترونات التي تؤين الغاز. يُستعمل هذا النوع من المنابع في المحركات الفضائية بالاستفادة من دواسر أثر هول Hall effect thrusters، وفي تقنيات الزرع الإيوني ion
implantation.

6- منبع المَغِنترون magnetron: يتألف من مصعد يحيط بمهبط أسطواني الشكل بحيث يكون موازياً لحقل مغنطيسي بقيمة 0.2 تسلا. يحدث انفراغ بين المصعد والمهبط بجهد لا يقل عن 150 ڤولط وتيار 40 أمبير، ويدخل الغاز كالهدروجين من صمام غازي نبضي ما يسمح بتشكل إيونات الهدروجين (+H). غالباً ما يستخدم السيزيوم لخفض تابع العمل للمهبط وبالتالي طاقة التأيين، مما يؤدي إلى زيادة عدد الإيونات (الشكل 1).

الشكل (١)

هنالك منابع أخرى مثل المنبع الإيوني المعتمد على تجاوب الإلكترونات السيكلوتروني Electron Cyclotron

(Resonance (ECR الذي يستعمل منابع للإيونات الثقيلة، فتعطي إيونات عالية الشحنة في أنواع مختلفة من المسرِّعات كالمصادمات والمسرِّعات الخطية، كما تستخدم أيضاً في دراسات السطوح. وتستخدم من أجل شحنات إيونات أعلى للذرات المتوسطة الكتلة منابع إيونية تقوم الحزمة الإلكترونية بالتأيين ثم تُشكّل حزمة من الإيونات ويتحكم بها
أما الإيونات الثقيلة جداً كاليورانيوم فتستعمل منابع إيونات بالحزمة الإلكترونية Electron Beam

(Ion Sources (EBIS. التي لها مبدأ التأيين بالحزم الإلكترونية نفسه لكنها تجمّع الإيونات في مرحلة أولى قبل استعمالها، وتُدعى منابع المصيدة الإيونية بالحزم الإلكترونية (EBIT) Electron Beam Ion Trap.

تطبيقات

تُستخدم المنابع الإيونية- إضافة إلى استعمالها في المسرِّعات- في أجهزة مثل الزرع الإيوني وفي تنظيف السطوح وتعديل خواصها وترسيب الأفلام الرقيقة وفي المحركات الإيونية كما في حال المركبات أو المسابر الإيونية الفضائية التي تعمل بالدسر (الدفع) الإيوني. ويمكن أن تختلف المنابع الإيونية تقنياً وتصميمياً عندما تستخدم في أجهزة مختلفة.

مثنى الأحمد

التصنيف : الكهرباء والمغنطيسية

النوع : الكهرباء والمغنطيسية

المجلد: المجلد الرابع

رقم الصفحة ضمن المجلد :

آخر أخبار الهيئة :

البحوث الأكثر قراءة

اصدارات الموسوعة العربية

أسماء الباحثين

هل تعلم ؟؟

• - هل تعلم أن الأبلق نوع من الفنون الهندسية التي ارتبطت بالعمارة الإسلامية في بلاد الشام ومصر خاصة، حيث يحرص المعمار على بناء مداميكه وخاصة في الواجهات

• - هل تعلم أن الإبل تستطيع البقاء على قيد الحياة حتى لو فقدت 40% من ماء جسمها ويعود ذلك لقدرتها على تغيير درجة حرارة جسمها تبعاً لتغير درجة حرارة الجو،

• - هل تعلم أن أبقراط كتب في الطب أربعة مؤلفات هي: الحكم، الأدلة، تنظيم التغذية، ورسالته في جروح الرأس. ويعود له الفضل بأنه حرر الطب من الدين والفلسفة.

• - هل تعلم أن المرجان إفراز حيواني يتكون في البحر ويتركب من مادة كربونات الكلسيوم، وهو أحمر أو شديد الحمرة وهو أجود أنواعه، ويمتاز بكبر الحجم ويسمى الش

• هل تعلم أن الأبسيد كلمة فرنسية اللفظ تم اعتمادها مصطلحاً أثرياً يستخدم في العمارة عموماً وفي العمارة الدينية الخاصة بالكنائس خصوصاً، وفي الإنكليزية أب

• - هل تعلم أن أبجر Abgar اسم معروف جيداً يعود إلى عدد من الملوك الذين حكموا مدينة إديسا (الرها) من أبجر الأول وحتى التاسع، وهم ينتسبون إلى أسرة أوسروين

• - هل تعلم أن الأبجدية الكنعانية تتألف من /22/ علامة كتابية sign تكتب منفصلة غير متصلة، وتعتمد المبدأ الأكوروفوني، حيث تقتصر القيمة الصوتية للعلامة الك

شراء النسخة الورقية