Ladungstransport in Gasen: Ionisation und Rekombination
Wie neutrale Gasteilchen durch Strahlung, Flammen oder beschleunigte Ladungsträger zu Ionen werden und wie Ionen und Radikale wieder zu neutralen Teilchen rekombinieren.
Das Wichtigste in Kürze
- Ionisation ist das Abtrennen von Elektronen von neutralen Gasteilchen. Es entstehen Ionenpaare, die das Gas leitfähig machen.
- \(\alpha\)-, \(\beta\)-, \(\gamma\)-, Röntgen- und kurzwellige UV-Strahlung ionisieren Luft, weil ihre Energie pro Teilchen über der Schwelle von etwa 12 bis 15,6 eV liegt.
- Infrarot, grünes Licht und Schall ionisieren Gasteilchen nicht. Ein geladener Plattenkondensator bleibt dabei geladen, während ein \(\alpha\)-Strahler oder eine Kerzenflamme ihn entlädt.
- Bei der Stoßionisation schlagen im Feld beschleunigte Elektronen oder Ionen weitere Elektronen heraus. Daraus wird eine Elektronenlawine.
- Rekombination umfasst den Elektroneneinfang durch positive Gasionen, die Elektronenabgabe negativer Gasionen und die Bindungsbildung zweier Radikale.
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Worum es geht
Trockene Luft ist ein guter Isolator, weil ihre Moleküle elektrisch neutral sind. Leitfähig wird ein Gas erst, wenn freie Ladungsträger entstehen. Dieses Prinzip steckt hinter Ionisationskammern und Zählrohren, mit denen man in der Radiopharmazie Strahlung misst.
Ionisation durch Strahlung
Damit ein Gas Strom leitet, muss man seine Teilchen erst in Ladungsträger verwandeln.
Ionisation ist das Abtrennen eines Elektrons von einem neutralen Atom oder Molekül. Es entstehen ein positives Ion und ein freies Elektron, also ein Ionenpaar. Lagert sich das Elektron an ein neutrales Molekül an, entsteht ein negatives Ion.
Ob Strahlung ionisiert, hängt von der Energie ab, die sie auf ein einzelnes Teilchen überträgt. Für Luft liegt die Schwelle bei etwa 12 eV (\(\ce{O2}\)) bis 15,6 eV (\(\ce{N2}\)). Röntgen- und \(\gamma\)-Quanten tragen keV bis MeV und ionisieren Luft mühelos. Kurzwellige UV-Strahlung erreicht die Schwelle gerade noch. Auch \(\alpha\)- und \(\beta\)-Teilchen besitzen Energien im MeV-Bereich. Sie hinterlassen entlang ihrer Bahn eine dichte Spur von Ionenpaaren. Wie die Strahlungsarten mit Materie wechselwirken, steht unter Durchdringung und Schwächung.
Grünes Licht liefert nur etwa 2,3 eV pro Photon, Infrarot noch weniger. Beide bleiben weit unter der Schwelle und ionisieren Gasteilchen nicht. Schall im Infraschall- oder Hörbereich ist eine mechanische Druckwelle. Sie schiebt die Moleküle nur gemeinsam hin und her und trennt keine Elektronen ab.
Entscheidend ist die Energie pro Quant, nicht die Helligkeit: Auch eine sehr starke grüne Lampe ionisiert Luft nicht.
Sichtbar wird Ionisation an einem geladenen Plattenkondensator in Luft. Normalerweise hält er seine Ladung, weil die Luft isoliert. Bringt man einen \(\alpha\)-Strahler zwischen die Platten, entstehen Ionenpaare. Im Feld wandern positive Ionen zur negativen Platte, Elektronen und negative Ionen zur positiven. Sie neutralisieren die Plattenladung, und der Ausschlag des Elektrometers sinkt.
Denselben Effekt hat eine Kerzenflamme in der Nähe der Platten. In der heißen Flamme entstehen durch Verbrennungsreaktionen und hohe Temperatur Ionen, die den Kondensator entladen. Grünes Licht oder eine Infrarotlampe lassen ihn dagegen geladen.
Stoßionisation
Ionisieren können auch geladene Teilchen, die ein elektrisches Feld beschleunigt hat. Ein freies Elektron gewinnt beim Durchlaufen der Spannung \(U\) die Energie \(e \cdot U\) (Energie geladener Teilchen). Übersteigt sie beim nächsten Zusammenstoß die Ionisierungsenergie, schlägt es ein weiteres Elektron heraus:
\[\ce{N2 + e- -> N2+ + 2 e-}\]
Diese Stoßionisation gelingt mit beschleunigten Elektronen und ebenso mit beschleunigten Ionen. Beide neuen Elektronen werden wieder beschleunigt und stoßen erneut. So wächst ihre Zahl wie bei einer Lawine auf 2, 4, 8 und mehr. Zählrohre nutzen diese Verstärkung (Strahlungsdetektoren).
Neutrale Teilchen spürt das Feld nicht, sie werden also nicht beschleunigt. Ihre thermische Energie liegt bei 25 °C nur bei etwa 0,04 eV. Deshalb ionisieren Stöße neutraler Moleküle untereinander praktisch nicht. Aus demselben Grund erzeugt auch der Beschuss einer Metallplatte mit neutralen Gasteilchen keine Gasionen.
Rekombination
Ionen und Elektronen ziehen sich an. Fehlt ein Feld, das sie trennt, finden sie wieder zusammen. Diese Umkehrung der Ionisation heißt Rekombination. Dabei wird Energie als Wärme oder Licht frei. Drei Formen gehören dazu:
- Ein positives Gasion fängt ein Elektron ein: \(\ce{N2+ + e- -> N2}\).
- Ein negatives Gasion gibt sein überschüssiges Elektron ab, etwa an ein positives Ion: \(\ce{O2- + O2+ -> 2 O2}\).
- Zwei Radikale paaren ihre ungepaarten Elektronen zu einer kovalenten Bindung: \(\ce{2 Cl^. -> Cl2}\).
Die dritte Form stammt aus der Chemie. Sie beendet etwa Radikalkettenreaktionen wie die Chlorierung von Methan. Im Halbleiter meint Rekombination dagegen, dass ein Leitungselektron ein Defektelektron füllt (Rekombination im Halbleiter). In einer Ionisationskammer muss das Feld stark genug sein. Nur dann erreichen die Ionen die Platten, bevor sie rekombinieren.
Quiz
Aussage 1
Mit ausreichend intensivem grünem Licht lässt sich ein geladener Plattenkondensator in Luft entladen.
Ein grünes Photon trägt nur etwa 2,3 eV und bleibt weit unter der Ionisierungsenergie der Luft von etwa 12 bis 15,6 eV. Die Intensität ändert daran nichts, der Kondensator bleibt geladen.
Aussage 2
Stoßionisation in Gasen geht überwiegend auf Zusammenstöße neutraler Moleküle untereinander zurück.
Neutrale Moleküle werden im Feld nicht beschleunigt und haben bei Raumtemperatur nur etwa 0,04 eV. Stoßionisation bewirken im Feld beschleunigte Elektronen oder Ionen.
Aussage 3
Vereinigen sich zwei Chlorradikale zu einem Chlormolekül, handelt es sich um eine Rekombination.
Die ungepaarten Elektronen der beiden Radikale bilden ein Elektronenpaar, also eine kovalente Bindung. Das ist eine Rekombination: \(\ce{2 Cl^. -> Cl2}\).
Aussage 4
Eine brennende Kerze in der Nähe der Platten kann einen geladenen Kondensator entladen.
In der heißen Flamme entstehen Ionen. Sie wandern im Feld zu den Platten und neutralisieren deren Ladung.
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