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空气负离子的物理学基础

【发布时间:2011-04-20】 【查看次数:3424】
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阳光、空气和水是地球上所有生物赖以生存的重要因素,而空气则是其中最重要的,因为离开了空气,一切生命现象将比离开阳光和水更快地终结。人们很早就知道空气里的氧和二氧化碳是人类气体代谢所必需的成分。后来又进一步了解到空气里所带的电荷对生物界也有十分重要的影响。经过近7080年的研究,终于逐步探明,在大气中的各气体成分不完全是以分子的方式存在,其中还有一部分是以离子状态存在的,离子所带的电荷有正有负,其数量在不同的气象及地理条件下可有很大的变化。经过观察证明,空气中离子的数量和不同的极性对人体生理功能有明显的影响。离子化空气的发现,解释了某些气候生理学方面的问题,并提供了制造人工的局部范围电离空气是防治疾病的理论基础。空气离子生理作用和治疗作用的奠基人AJI.COKOДOB(1903年)首先将离子化空气用于预防保健与临床治疗。经过临床应用,证明具有一定的治疗效果,因而便形成了空气离子疗法(aero-iono therapy)。

空气离子疗法是指应用自然界中大气离子或人工产生的空气离子预防和治疗疾病的方法,又称离子化空气疗法。医用方面有重要作用的是空气负离子,又可称为空气负离子疗法。目前,环境污染严重威胁着人类的健康,迫切需要净化生存空间,改善环境卫生,空气负离子疗法日益受到重视,并已成为公共场所、学校、工矿的物理预防措施。

(一)空气负离子的产生过程

    空气中的气体分子是由原子组成的,原子又由原子核及在核周运动的电子组成,原子核中包括带正电荷的质子和不带电的中子,中性原子中,质子数与核外电子数相同。在某种条件下,核外电子可脱离原子的电子轨道形成自由电子,原子核因失去电子而带正电,这种失去电子而呈现正电性的分子或原子就称为正负离子;若自由电子被其他原子吸附,该原子则带负电荷,这种因获得电子而呈现负电性的分子或原子称为负离子;因此每一电离过程可形成一对带有正、负电荷的分子或原子即正离子和负离子。空气中的气体发生电离后,即形成空气正离子及空气负离子。

可使空气电离的因素很多,包括自然界存在的物理因素和人工的物理因素,这些能导致电离的外力统称为催离素,实验证明,凡具有33eV以上能量的催离素,即可使空气离子发生电离。在地球及空气中的宇宙射线、阳光(紫外线)、大气放电、高速运动的气流以及蕴藏于土壤、岩石、水源等中的铀和钍等放射性元素产生的射线等均可引起空气电离,此外,水冲击空气分子也可发生电离,故在海滨、瀑布、喷泉、激流等地空气离子的数量较多。据测定,在地表的大气中,通常每立方厘米空气内就含有数十至数千对空气离子,其数量及正、负离子的比例因地理环境、地质状况、城乡分布以及气象、季节等条件而有很大差异。如海拔4000m地区,大气中每立方厘米空气中约有空气正离子2000个,负离子900个,而海拔2000m地区,空气正离子为1500个,负离子2000个,近似海平面的地区正离子数约为500~1000个。高山、山谷地区正离子较多,海滨、森林地带负离子较多。城市空气负离子数远少于郊区及农村,空气污浊的环境中负离子数可少至每立方厘米空气l或2个。此外,同一地区离子数清晨多于午后,夏季多于冬季,雷雨过后大气中空气负离子显著增多。

(二)空气负离子的理化性质

    空气离子按体积大小可分为轻、中、重离子三种。一部分正、负空气离子将周围10~15个中性气体分子吸附在一起形成轻空气负离子,轻离子的直径约为10-7cm,在电场中运动速度较快,其运动速度为1~2cm/SV。中、重离子多是尘埃、烟雾和小水滴等微粒失去或获得电子所产生,或是一部分轻空气负离子与空气中的灰尘、烟雾等结合而形成,重负离子的直径约为l0-5cm,在电场中运动较慢,仅为0.0005cm/SV。中离子的大小及活动性介于轻、重离子之间。通常用N+和N-分别表示正、负重离子,以n+和n-分别表示正、负轻离子。每个轻、中、重离子均带一个基本电荷,其电量约等于一个电子所带的电量,即4.8×l0-10静电系单位(1.59×l0-19C)。

空气离子存在的时间很短,轻离子多在数十秒内消失,重离子存在的时间稍长。空气中正、负离子的比例称为单极系数,轻离子的单极系数以n+/n-=q表示,平均为1.2,重离子的单极系数以N+/N-=q表示,平均为1.1。空气中离子的数量和单极系数可因各种条件而发生变化。例如,室外较清洁的空气中正、负轻离子的浓度,n+=651±187,n-=566±139,q=1.15。在关闭的室内,即使每人75~l00m2时,轻离子浓度仍显著下降,而且单极系数升高,n+=91±36,n-=70±25,q=1.30。

    空气是由各种气体混合组成的,其中氮气占78%,氧气占21%,其余1%为二氧化碳、惰性气体、水汽、以及微量的工业废气如二氧化硫、碳氢化合物、一氧化氮等。在空气的电离过程中,上述气体并非都可形成相应的空气离子,Martin等认为,空气中存在的空气离子,几乎全部均为氧空气离子,其解释为:①空气中99%为氮气和氧气,在原子结构中,氮的外层电子有5个,氧的有6个,氧的外层电子数较多,易于逸出电子或吸收电子而成为正负氧空气离子,而氮则难于或根本不与电子结合,不形成空气离子;②空气中除氮、氧以外,其他气体成分总数还不到1%,故即使有些气体(如二氧化碳)稍能电离,其数量亦甚微。因此,空气离子实际上主要就是氧的负空气离子。


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