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ionizzazióne

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Descrizione generale

sf. [sec. XX; da ionizzare]. Formazione di ioni da atomi o da molecole elettricamente neutre; nel caso degli atomi la ionizzazione si verifica per acquisto, ionizzazione per cattura, o perdita di uno o più elettroni del loro strato esterno, nel caso delle molecole in seguito al fenomeno della dissociazione elettrolitica. Uno dei modi più comuni in cui si produce ionizzazione è l'urto. Si ha ionizzazione per urto quando una particella carica veloce, attraversando un assorbitore, per interazione di Coulomb con un elettrone atomico causa l'espulsione di quest'ultimo dall'atomo. La particella incidente provoca pertanto la formazione di un elettrone libero e di un atomo ionizzato. Condizione essenziale perché avvenga ionizzazione è che la particella incidente abbia energia maggiore dell'energia di legame dell'elettrone nell'atomo (energia o potenziale di ionizzazione). Le energie di ionizzazione possono venir calcolate dagli spettri di assorbimento o di emissione degli atomi o delle molecole nell'ultravioletto, oppure misurate direttamente, bombardando l'atomo o la molecola con un fascio di elettroni e determinando quale energia questi devono avere per dar luogo alla formazione degli ioni. Gli ioni positivi così generati possono poi perdere un secondo, un terzo, ecc. elettrone; l'estrazione di questi richiede energie via via più elevate perché l'elettrone, carico negativamente, viene estratto, anziché da un edificio elettricamente neutro come nel caso della prima ionizzazione, da uno ione positivo e cioè da un edificio che presenta una carica positiva via via più alta. Se l'elettrone liberato nella ionizzazione (ionizzazione primaria) ha energia dell'ordine del keV, esso stesso, in quanto particella carica veloce, è in grado di produrre ionizzazione (ionizzazione secondaria), con produzione di elettroni secondari (raggi delta). Anche particelle neutre, come il neutrone, possono produrre ionizzazione in collisioni con atomi, senza coinvolgere il campo coulombiano elettronico, ma in quantità trascurabile. Si può inoltre avere ionizzazione per effetto fotoelettrico e per effetto Compton.

Le collisioni fra particelle

I vari aspetti del problema teorico della perdita di energia per ionizzazione della materia da parte di particelle cariche furono risolti nell'ambito della meccanica quantistica fra il 1930 e il 1933. Le collisioni fra particelle sono generalmente divise in due classi: dure e soffici. Collisioni dure sono quelle in cui c'è un così largo trasferimento di energia (molto maggiore dell'energia di ionizzazione) che l'elettrone emesso può essere considerato come inizialmente libero; le collisioni dure possono essere dovute a particelle pesanti come particelle alfa e mesoni, o a particelle leggere come l'elettrone e il positrone. Collisioni soffici sono quelle in cui l'energia trasferita all'elettrone è minore, o paragonabile a quella di legame dell'elettrone stesso nell'atomo. In generale il processo di ionizzazione in un assorbitore avviene tramite collisioni dure e soffici, con ionizzazioni primarie e secondarie, ed è tanto più preponderante su altri tipi di interazione quanto più pesante è la particella incidente. La percentuale di ionizzazioni primarie e secondarie rispetto al totale delle ionizzazioni dipende dalla natura e dall'energia della particella incidente e dalla natura dell'assorbitore. Da questi fattori dipende anche l'energia media necessaria per creare una coppia di ioni formata da un elettrone libero e da un atomo ionizzato. Per elettroni nell'aria l'energia media necessaria per creare una coppia di ioni è

Camere di ionizzazione

La proprietà degli ioni gassosi di rompere l'equilibrio metastabile in un fluido, quale un liquido surriscaldato o un vapore soprassaturo, è largamente sfruttata nei rivelatori di particelle del tipo delle camere a tracce. Il passaggio di una particella ionizzante in un liquido surriscaldato dà luogo alla formazione di ioni sulla sua traiettoria e, intorno a questi, di bollicine che ne rendono visibile la traccia. Su questo principio è basato il funzionamento delle camere a bolle. Il passaggio di una particella ionizzante in una camera a nebbia dà invece luogo alla formazione di goccioline per condensazione del vapore soprassaturo attorno agli ioni prodotti dal passaggio della particella. Lo studio quantitativo della ionizzazione prodotta da particelle ionizzanti può essere effettuato adeguatamente con le camere di ionizzazione; queste permettono di misurare l'intensità di una radiazione ondulatoria o corpuscolare e sono sostanzialmente costituite da un recipiente contenente gas e due elettrodi a diverso potenziale, uno dei quali, il collettore, è connesso con uno strumento che misura la corrente di ioni prodotta nel gas per effetto della radiazione. La sensibilità è tale da permettere di rivelare il passaggio anche di una sola particella ionizzante; è pertanto utilizzata soprattutto come contatore di particelle. § Lo studio sperimentale della ionizzazione prodotta da particelle alfa, effettuato mediante camere di ionizzazione, fu di fondamentale aiuto per la conoscenza dei processi di decadimento alfa e quindi per la conoscenza della struttura del nucleo. Una particella alfa emessa da elementi radioattivi produce nel mezzo che essa attraversa, e a spese della propria energia, una certa ionizzazione che costituisce una misura dell'energia stessa in quanto la particella deve arrestarsi una volta esaurita tale energia negli urti che producono le coppie di ioni. Se si misura il percorso (in inglese range) della particella prima dell'arresto e contemporaneamente il numero di coppie di ioni prodotti e si riportano poi tali dati in grafico si ottengono tante curve, una per ogni tipo di materiale attraversato (curve di Bragg), da ciascuna delle quali si può risalire alle corrispondenti range-energia che permettono di determinare esattamente l'energia (o la velocità) della particella appena conosciuto il percorso effettuato in un dato materiale.

Bibliografia

N. Bohr, Atomic Theory and the Description of Nature, Cambridge, 1934; J. Oppenheimer, Electron Theory: Description and Analogy, in “Physics Today”, giugno 1957; U. Fano, L. Fano, Basic Physics of Atoms and Molecoles, New York, 1959; R. Feynman, R. Leighton, M. Sands, The Feynman Lectures in Physics, Addison Wesley, 1963; M. Alonso, E. Finn, Elementi di fisica per l'università, vol. II, Londra, 1969.