¿Qué frecuencias de radiación em pueden ionizar el aire?

Técnicamente, solo se necesitan fotones con energías$\geq$13,6 eV para ionizar un solo átomo de hidrógeno monoatómico, que corresponde a ~3300 THz (es decir, ~3,3 mil millones de MHz) o longitudes de onda de ~91 nm (es decir, ~$9.1 \times 10^{-8}$metro). Tenga en cuenta que la energía de un fotón está dada por$E = h \ \nu$, dónde$h$es la constante de Planck y$\nu$es la frecuencia. Para la radiación electromagnética en el vacío, también sabemos que$c = \lambda \ \nu$, dónde$\lambda$es la longitud de onda y$c$es la velocidad de la luz . El índice de refracción del aire está lo suficientemente cerca de 1.0 para las estimaciones aproximadas que uso a continuación.

Sin embargo, con el aire, asumiendo que la atmósfera de la Tierra está en STP , primero se disociarían las moléculas antes de que ocurriera cualquier ionización. Escribí una respuesta detallada sobre las energías necesarias para disociar todas las moléculas en la atmósfera de la Tierra en https://physics.stackexchange.com/a/233126/59023 .

Puede reducir fácilmente estas estimaciones a una configuración de laboratorio más práctica. disociarse$N_{2}$(es decir, nitrógeno diatómico) se necesitan ~945 kJ/mol o ~9,79 eV por$N_{2}$enlace (Tenga en cuenta que 9,79 eV corresponde a un ~$2.36716 \times 10^{15}$Hz o un fotón de ~126,7 nm).$N_{2}$comprende ~78,08% de la atmósfera de la Tierra por volumen, por lo que ocuparía ~78,08% de un contenedor de un metro cúbico. Por lo tanto, habría ~$4.7 \times 10^{23}$moléculas de$N_{2}$en un contenedor de un metro cúbico o ~0.7808 moles. Por lo tanto, necesitaríamos ~737.86 kJ de energía para disociar todos los$N_{2}$moléculas.

¿Qué frecuencias de radiación em pueden ionizar el aire?

En general, se afirma que se necesita al menos luz ultravioleta para ionizar la mayoría de los átomos, por lo que se llama radiación ionizante. El espectro UV se extiende desde ~10-400 nm o ~750-30000 THz, por lo que puede ver que las dos longitudes de onda estimadas que se muestran arriba se encuentran en el rango del espectro UV.

¿Depende de la potencia del transmisor/generador o solo de la frecuencia?

Supongo que la respuesta es sí, pero no por las razones que parece implicar su pregunta. La potencia del transmisor determinaría el número de fotones generados por unidad de tiempo mientras que la frecuencia determinaría la energía de cada fotón. Si solo enviara un fotón por segundo, mi conjetura es que la tasa de recombinación inundaría la tasa de ionización, por lo que no vería una carga neta. Esto es bueno para que podamos vivir (es decir, la tasa de recombinación es más alta que la tasa de ionización de la radiación solar).

¿Algunas frecuencias o densidades de potencia hacen que el aire sea más conductor pero no lo ionizan en un plasma?

No estoy seguro de lo que estás preguntando. El aire es un excelente aislante y realmente solo conduce electricidad cuando hay un arco, es decir, las moléculas se ionizan a lo largo del camino del arco permitiendo que los electrones fluyan, por lo tanto, una corriente. Esto generalmente requiere campos eléctricos muy grandes, como ~30 kV/cm (o ~76 kV/pulgada).

Sé que la temperatura puede convertir el aire en un plasma.

No, esto no es realmente correcto. La temperatura de un gas es una medida de la energía cinética media de las moléculas en el marco de reposo del centro de la cantidad de movimiento. Si el gas es muy tenue, entonces habría poca o ninguna colisión entre partículas. Puedes tomar una partícula neutra y hacerla ir tan rápido como quieras sin ionizarla (ignorando la aceleración o la fuente de energía) porque su velocidad no importa. En su marco de reposo, no sabe que se está moviendo a menos que "mire" algo más.

Las altas temperaturas pueden conducir a la ionización si hay una tasa de colisión partícula-partícula lo suficientemente alta y si la energía cinética de la colisión excede la energía de ionización de al menos uno de los átomos.

¿Hay alguna forma de calentar el aire usando radiación em que no sea con luz?

La respuesta corta es sí. Hay tres métodos básicos de transporte de energía: conducción térmica , radiación y convección . Un horno estándar utilizado para cocinar alimentos (es decir, no un horno de microondas) utiliza una combinación de conducción térmica y radiación (creo que la conducción térmica domina aquí, pero he escuchado argumentos a favor de ambos lados).

Actualización
En la siguiente pregunta y respuesta ¿ Los hornos convencionales calientan por conducción térmica o por radiación? Muestro que en realidad es la radiación la que domina en los hornos convencionales.

Con respecto a la última pregunta, si la radiación EM puede interactuar con el gas (por ejemplo, de manera similar a cómo los hornos de microondas vibran/excitan las moléculas de agua), uno puede depositar energía en el gas. Si el gas está mediado por colisiones, como la atmósfera de la Tierra por debajo de ~10 km, entonces, después de agregar suficiente energía a través de la radiación, se podrían ionizar las moléculas de gas.