Welche Frequenzen der Em-Strahlung können Luft ionisieren?

Technisch benötigt man nur Photonen mit Energien$\geq$13,6 eV, um ein einzelnes einatomiges Wasserstoffatom zu ionisieren, was ~3300 THz (d. h. ~3,3 Milliarden MHz) oder Wellenlängen von ~91 nm (d. h. ~$9.1 \times 10^{-8}$M). Beachten Sie, dass die Energie eines Photons gegeben ist durch$E = h \ \nu$, Wo$h$ist die Plancksche Konstante und$\nu$ist die Frequenz. Für elektromagnetische Strahlung im Vakuum wissen wir das auch$c = \lambda \ \nu$, Wo$\lambda$ist die Wellenlänge und$c$ist die Lichtgeschwindigkeit . Der Brechungsindex von Luft liegt nahe genug bei 1,0 für die groben Schätzungen, die ich unten verwende.

Bei Luft jedoch würde man unter der Annahme ihrer Erdatmosphäre bei STP zuerst die Moleküle dissoziieren , bevor irgendeine Ionisation auftreten würde. Ich habe unter https://physics.stackexchange.com/a/233126/59023 eine ausführliche Antwort über die Energien geschrieben, die erforderlich sind, um alle Moleküle in der Erdatmosphäre zu dissoziieren .

Sie können diese Schätzungen leicht auf eine praktischere Laborumgebung herunterskalieren. Zu dissoziieren$N_{2}$(dh zweiatomiger Stickstoff) benötigt man ~ 945 kJ / Mol oder ~ 9,79 eV pro$N_{2}$Bindung (Beachten Sie, dass 9,79 eV einer ~ entsprechen$2.36716 \times 10^{15}$Hz oder ein Photon von ~126,7 nm).$N_{2}$umfasst etwa 78,08 % des Volumens der Erdatmosphäre, so dass es etwa 78,08 % eines 1-Meter-Würfelbehälters einnehmen würde. Somit gäbe es ~$4.7 \times 10^{23}$Moleküle von$N_{2}$in einem 1-Meter-Würfelbehälter oder ~0,7808 Mol. Somit würden wir ~737,86 kJ Energie benötigen, um alle zu dissoziieren$N_{2}$Moleküle.

Welche Frequenzen der Em-Strahlung können Luft ionisieren?

Es wird allgemein gesagt, dass man mindestens UV-Licht braucht , um die meisten Atome zu ionisieren, weshalb es ionisierende Strahlung genannt wird. Das UV-Spektrum erstreckt sich von ~10-400 nm oder ~750-30000 THz, sodass Sie sehen können, dass beide oben gezeigten geschätzten Wellenlängen in den UV-Spektralbereich fallen.

Hängt es von der Leistung des Senders/Generators ab oder nur von der Frequenz?

Ich nehme an, die Antwort lautet ja, aber nicht aus den Gründen, die Ihre Frage zu implizieren scheint. Die Leistung des Senders würde die Anzahl der pro Zeiteinheit erzeugten Photonen bestimmen, während die Frequenz die Energie jedes Photons bestimmen würde. Wenn Sie nur ein Photon pro Sekunde aussenden, ist meine handgewellte Vermutung, dass die Rekombinationsrate die Ionisationsrate überschwemmen würde, sodass Sie keine Nettoladung sehen würden. Das ist eine gute Sache, damit wir leben können (dh die Rekombinationsrate ist höher als die Ionisationsrate der Sonnenstrahlung).

Machen einige Frequenzen oder Leistungsdichten Luft leitfähiger, aber ionisieren sie nicht zu einem Plasma?

Ich bin mir nicht sicher, was Sie fragen. Die Luft ist ein ausgezeichneter Isolator und leitet tatsächlich nur dann Strom, wenn ein Lichtbogen vorhanden ist, dh Moleküle werden auf dem Weg des Lichtbogens ionisiert, wodurch Elektronen fließen können, also ein Strom. Dies erfordert im Allgemeinen sehr große elektrische Felder, wie ~30 kV/cm (oder ~76 kV/Zoll).

Ich weiß, dass Temperatur Luft in ein Plasma verwandeln kann.

Nein, das ist nicht wirklich richtig. Die Temperatur eines Gases ist ein Maß für die mittlere kinetische Energie der Moleküle im Ruhesystem des Impulszentrums. Wenn das Gas sehr dünn ist, würde es wenig bis gar keine Partikel-Partikel-Kollisionen geben. Sie können ein neutrales Teilchen nehmen und es so schnell fliegen lassen, wie Sie möchten, ohne es zu ionisieren (ohne die Beschleunigung oder die Energiequelle zu ignorieren), da seine Geschwindigkeit keine Rolle spielt. In seinem Ruhesystem erkennt es seine Bewegung nicht, es sei denn, es "schaut" auf etwas anderes.

Hohe Temperaturen können zur Ionisation führen, wenn eine ausreichend hohe Teilchen-Teilchen-Kollisionsrate vorhanden ist und die kinetische Energie der Kollision die Ionisationsenergie mindestens eines der Atome übersteigt.

Gibt es eine andere Möglichkeit, Luft mit EM-Strahlung als mit Licht zu erwärmen?

Die kurze Antwort ist ja. Es gibt drei grundlegende Energietransportmethoden: Wärmeleitung , Strahlung und Konvektion . Ein Standardofen zum Kochen von Speisen (dh kein Mikrowellenherd) verwendet eine Kombination aus Wärmeleitung und Strahlung (ich denke, die Wärmeleitung dominiert hier, habe aber Argumente für beide Seiten gehört).

Update
In der folgenden Frage und Antwort Heizen herkömmliche Backöfen durch Wärmeleitung oder Strahlung? Ich zeige, dass es tatsächlich die Strahlung ist, die in herkömmlichen Öfen dominiert.

In Bezug auf die letzte Frage, wenn die EM-Strahlung mit dem Gas interagieren kann (z. B. ähnlich wie Mikrowellenöfen vibrieren/Wassermoleküle anregen), kann man Energie in das Gas einbringen. Wenn das Gas kollisionsvermittelt wird, wie die Erdatmosphäre unter ~ 10 km, dann könnte man die Gasmoleküle ionisieren, nachdem durch die Strahlung genügend Energie hinzugefügt wurde.