Перезарядка ионов - процесс взаимодействия положительных ионов с нейтральными атомами (молекулами) или поверхностью твёрдого тела, сопровождающийся обменом электронами между взаимодействующими частицами. (Часто нестрого называются перезарядкой ионов и аналогичные взаимодействия отрицательных ионов.)

Перезарядка ионов в газах и жидкостях происходит по схеме

А⁺ + B⁰ → A⁰ + В⁺,

где верхние индексы соответствуют заряду частицы.

Если перезарядка ионов не сопровождается изменением внутренней энергии системы взаимодействующих частиц, она называется резонансной. Таким процессом является, например, обмен электроном между атомарным ионом и атомом того же элемента (или же между молекулярным ионом и молекулой того же вещества).

Вероятность перезарядки ионов (характеризуемая её эффективным поперечным сечением σ) определяется родом частиц А и В, скоростью их относительного движения и так называемым параметром Месси ξ = а∆εħv (а – расстояние порядка атомных размеров, ∆ε – изменение внутренней энергии, ħ — постоянная Планка, v — относительная скорость частиц). В случае симметричной резонансной перезарядки ионов параметр Месси равен 0, так как ∆ε=0 , и сечение перезарядки σ монотонно растет с уменьшением скорости столкновения и при тепловых энергиях может значительно превышать газокинетическое сечение. При уменьшении v сечение перезарядки ионов сильно уменьшается для нерезонансной перезарядки (а∆εħv >> 1) и монотонно возрастает для резонансной. Процессы перезарядки ионов могут играть существенную роль в энергетическом балансе горячей плазмы.

Для нерезонансной перезарядки в зависимости σ(v) имеется максимум при ξ~1; при больших скоростях столкновения (ξ<<1) поведение σ(v) такое же, как для симметричной резонансной перезарядки, а при малых скоростях столкновения (ξ>>1) сечение экспоненциально падает с уменьшением v.

Возможна также резонансная перезарядка ионов с образованием нейтрального атома (молекулы) не в основном, а в возбуждённом состоянии, когда электрон захватывается на один из свободных верхних уровней энергии.

Перезарядка ионов вблизи поверхности металла (при захвате ионом электрона из металла) происходит аналогично перезарядке ионов в газах. Особый вид перезарядки ионов— захват двух электронов с образованием отрицательного иона — возможен для положительных атомарных или молекулярных ионов электроотрицательных газов.

Основную роль в механизме перезарядки ионов играет туннельный эффект.

 

Метод перезарядки ионов применяется при масс-спектрометрическом определении радикалов. Также явление перезарядки ионов применяется для описания процессов, происходящих в плазме.

Перезарядка ионов играет существенную роль в балансе частиц высокотемпературной плазмы; определяет торможение пучка атомов, инжектированных в плазму того же элемента, подвижность ионов в собственном газе, свойства газоразрядной плазмы, созданной в атомном газе, и так далее.

Перезарядка ионов широко используется в различных вариантах активной и пассивной диагностики плазмы.

При уменьшении относительной скорости частиц сечение перезарядки ионов сильно уменьшается для нерезонансной перезарядки ионов (когда ξ >> 1) и монотонно возрастает для резонансной. Типичный пример – перезарядка протонов на атомарном и молекулярном водороде (рис. 1).