ионизация полем

ИОНИЗАЦИЯ ПОЛЕМ (полевая ионизация, автоионизация) - процесс ионизации атомов и молекул газа в сильных электрич. полях. Связанный в атоме электрон можно представить себе находящимся в потенц. яме (рис. 1, а). При включении электрич. поля напряжённостью Е к нач. потенц. энергии электрона V₀(x), находящегося в точке х, добавляется потенц. энергия еЕх, где е - заряд электрона. Вследствие этого потенц. яма становится асимметричной - с одной её стороны образуется потенц. барьер конечной ширины

Рис. 1. Диаграммы потенциальной энергии электрона в свободном пространстве без поля (а) и при наличии поля (б).

x₁x₂ (рис. 1, б), сквозь к-рый электрон может "просочиться", т. е. будет иметь место туннельный эффект и будет возможна ионизация с нижнего (основного) уровня атома. Вероятность W(V, E) туннелирования электрона сквозь потенц. барьер определяется ф-лой:

где V(x)=V₀(x)+eEx и E - соответственно потенц. и полная энергия электрона, m - его масса. Вероятность туннелирования W(V, E) резко увеличивается при уменьшении площади барьера над прямой х₁х₂. Это происходит при увеличении напряжённости поля Е или при повышении энергии электрона в атоме E к.- л. др. способами (напр., при туннелировании электронов с возбуждённых уровней). Так, вероятность И. п. атома водорода из осн. состояния достигает заметной величины лишь при E~10⁸ В/см, а из возбуждённых состояний - уже при Е~10⁶ В/см. Экспериментально впервые обнаружена именно полевая ионизация возбуждённых атомов: в спектре испускания атомов водорода, находящихся во внеш. электрич. поле напряжённостью ~10⁶ В/см, было обнаружено уменьшение интенсивности линий, связанных с квантовыми переходами электронов из наиболее высоких возбуждённых состояний в основное. Явление было объяснено тем, что И. п. возбуждённых атомов становится более вероятным процессом, чем их излучательный переход в основное состояние, и свечение этих линий затухает. Наиб, полно исследована И. п. вблизи поверхности металла, т. к. она используется в полевом ионном микроскопе для получения увеличенного изображения поверхности (см. Ионный проектор).

Рис. 2. Диаграмма потенциальной энергии электрона в сильном электрическом поле у поверхности металла.

Вероятность И. п. у поверхности металла оказывается значительно большей, чем в свободном пространстве при той же напряжённости поля, что обусловлено действием сил "изображения", снижающих потенц. барьер (см. Шоттки эффект ).Однако И. п. возможна лишь в том случае, когда расстояние атома от поверхности превышает нек-рое критич. расстояние x_кр. Это связано с тем, что при обычных темп-pax для осуществления туннельного перехода электрона в металл необходимо, чтобы осн. уровень энергии электрона в атоме был поднят электрич. полем хотя бы до уровня Ферми (см. Ферми-энергия)в металле (рис. 2). Если атом приблизится к поверхности на x<x_кр, то уровень энергии электрона в атоме окажется ниже уровня Ферми в металле и W резко уменьшится. С др. стороны, удаление атома от поверхности металла при x>x_кр также приводит к резкому уменьшению W. Поэтому И. п. практически имеет место в пределах некоторой области вблизи x_кp. В рабочем режиме полевого ионного микроскопа полуширина этой зоны составляет 0,02- 0,04 нм. Явление И. п. применяется также при создании ионных источников для масс-спектрометров .Достоинством таких источников является отсутствие в них накалённых электродов, а также то, что в них удаётся избежать диссоциации анализируемых молекул. Кроме того, с помощью таких ионных источников можно наблюдать специфич. хим. реакции, происходящие лишь в сильных электрич. полях. Лит.: Мюллер Э.,Цонь Т., Автоионная микроскопия, пер. с англ., М., 1972; их же, Полевая ионная микроскопия, полевая ионизация и полевое испарение, пер. с англ., М., 1980. А. Г. Наумовец.

   <<      Предметный указатель      >>