Les processus d'ionisation

De nombreux ouvrages traitent de ce processus et maints articles l'ont décrit, mais on ne peut le comprendre sans avoir des bases solides en structure de la matière. Dans cet article, deux longs paragraphes sont consacrés à donner ces bases sans faire entrer de considérations abstruses. C'est une gageure car une description de l'atome et plus encore de la molécule requiert des connaissances mathématiques et physiques pointues. Comment expliquer les orbitales en parlant à peine des fonctions d'onde? Comment comprendre les liaisons moléculaires sans parler des orbitales? Nous avons fait le choix délibéré d'utiliser au maximum une description mécanique de l'atome en expliquant de manière semi-empirique l'apport de la mécanique quantique. Les puristes trouveront que les vérités exprimées sont parfois " approximatives " bien qu'elles aient été la référence par le passé. L'important est que le technicien du vide y trouve les éléments pour accéder à des ouvrages plus conformes à la vérité scientifique d'aujourd'hui et, conséquemment, de niveau plus élevé.

Les deux paragraphes précités sont suivis de l'introduction aux collisions, puis de la théorie de l'ionisation par impact électronique. Enfin, d'autres mécanismes d'ionisation, de plus en plus côtoyés en technique du vide, sont traités. Les arrangements de quelques sources d'ions parmi les plus communes montrent comment ces processus sont mis en oeuvre.

La matière est construite à partir de 92 éléments naturels ou corps simples représentés par des symboles (H, He, Li,..., U). Les corps composés sont constitués de combinaisons d'atomes dites molécules, résultats de liaisons. Atomes et molécules ont des dimensions de l'ordre du nm.

Si nous utilisons d'abord le modèle planétaire de l'atome, on peut considérer qu'il est fait d'un noyau contenant Z protons chargés positivement et N neutrons électriquement neutres autour duquel gravitent Z électrons chargés négativement qui ne se trouvent pas systématiquement sur le même rayon d'orbite ni sur la même écliptique. Le noyau est environ 10000 fois plus petit que l'atome.

Les masses du proton et du neutron sont voisines et peu différentes de l'unité de masse atomique (u.m. a. ou dalton). Proton et électron sont de charge opposée et la matière est électriquement neutre. Z est le numéro atomique d'un élément et A=Z+N est son nombre de masse (nous dirons sa masse par la suite, en raccourci). Deux éléments de même Z mais de N différents sont dits isotopes. La périodicité des propriétés chimiques a permis de classer les éléments dans une table à 8 colonnes principales, due à Mendeleev. Dans cette table, la masse d'un atome n'est pas la somme de la masse de ses constituants pris individuellement du fait que l'énergie de cohésion de tous ses constituants en a consommé une partie. Electrons et noyaux sont liés par des forces électrodynamiques qui sont aussi responsables des liaisons interatomiques dans les molécules et des liaisons intermoléculaires. La cohérence de la matière, hors le noyau, est d'ordre électrique et nous allons voir que les inhomogénéités spatiales de répartition du cortège électronique des atomes ou des molécules expliquent les liaisons.

L'atome d'hydrogène est le plus simple. Il comprend un électron gravitant autour d'un proton sur une orbite circulaire, dans ce modèle (Figure 1). La condition d'équilibre de l'orbite est que la force centrifuge due au mouvement de rotation de l'électron soit équilibrée par la force électrostatique (ou coulombienne) attractive du proton, tout effet de gravitation étant négligeable

Le modèle planétaire de l'atome dû à Rutherford ne permet pas d'expliquer, par exemple, le spectre discret des raies lumineuses émises par un corps. De fait, l'énergie électronique et les moments ne peuvent pas prendre n'importe quelles valeurs, comme le laisse supposer le modèle précédent.