Автоионизация

Автоионизация (полевая ионизация, ионизация полем) – это сложный физический процесс, при котором нейтральные атомы или молекулы газа ионизируются (превращаются в ион) в результате воздействия на них внешнего электрического поля.

Ход процесса автоионизации можно описать следующим образом. Представим связанный с атомом электрон частицей, находящейся в потенциальной яме. См. (рис.1)

Рис. 1

Внешнее поле при этом отсутствует, а электрон владеет определенной потенциальной энергией . Включаем внешнее поле, обладающее напряженностью , и направляем его против оси Х. Потенциальная «яма» становится ассиметричной вследствие увеличения потенциального барьера слева и его уменьшения справа. Уменьшение ширины потенциального барьера с правой стороны «ямы» предоставляет возможность дрейфа электрона за ее пределы. Это явление получило название – туннельный эффект. При потере электрона возникает ионизация с нижнего уровня молекулы или атома.

Эффект автоионизации, при создании определенных условий, можно наблюдать. Предположим, что имеется линия спектра, появившаяся в процессе энергетического перехода W2 – W1. Включение электрического поля с величиной напряженности создает потенциальный барьер конечной ширины. Увеличение напряженности поля уменьшает ширину потенциального барьера, который становится прозрачнее. При достаточно большой величине напряженности внешнего поля вероятность перехода через потенциальный барьер становится значительно выше, чем переход из уровня W2 на W1. Наблюдаемая линия спектра с увеличением напряженности электрического поля уменьшает свою интенсивность вплоть до полного исчезновения.

Наиболее детализованные исследования ионизации полем осуществлялись около поверхности металла. Величина напряженности поля, при которой начинается явление автоионизации, определяется формулой . Благодаря возникновению эффекта Шоттки, вероятность появления полевой ионизации вблизи поверхности металла выше, чем в свободном пространстве. Эффект Шоттки заключается в уменьшении потенциального барьера, препятствующего эмиссии электронов, с увеличением воздействия внешнего электрического поля.

Опытным путем было установлено – явление автоионизации возможно при расстоянии атома от поверхности металла в определенном критическом диапазоне. Объясняется такой результат тем, что для возникновения туннельного эффекта электрон должен иметь энергию, полученную от внешнего электрического поля, превышающую уровень Ферми в металле. Если атом приближается к поверхности на критическое расстояние, то энергия электрона в атоме резко уменьшается. Следовательно, явление автоионизации возникает в пределах определенной зоны.

Рис. 2

Автоионный микроскоп применяется для исследований увеличенных изображений поверхности. Полуширина зоны автионизации в нем около 0,2 – 0,4 ангстрем. Кроме того, явление ионизации полем используется для разработки и производства ионных источников, применяемых в масс-спектрометрах. Эти источники не содержат нагреваемых электродов, влияющих на диссоциацию молекул, подвергаемых анализу. Поэтому ионные источники позволяют исследовать специфические химические реакции, которые могут протекать только в сильных электрических полях.

Кроме ионизации электрическим полем физикам известно явление, называемое Лоренцевой ионизацией мощным магнитным полем. Это явление применяется в ускорителях частиц. Сильное магнитное поле используют для отделения электронов в атомных пучках, имеющих высокую энергию. Эффект отделения объясняется действием сил Лоренца. При переходе с помощью преобразований Лоренца к иону, то в результате получаем электрическое поле, воздействующее на электрон. Следовательно, результат от ионизации магнитным полем Лоренца не отличается от ионизации внешним электрическим полем.

Вопрос: Что такое надбарьерная ионизация?

Ответ:

Предположим, что в потенциальной яме находится заряженная частица или связанный электрон. При этом энергетический уровень электрона до приложения внешнего электрического поля уже выше потенциального барьера. При таких условиях частице немедленно покинет атом при включении внешнего поля. Такое явление называется надбарьерной ионизацией. Если же электрон находится на уровне, который ниже потенциального барьера, по его дрейф возможен только при возникновении туннельного эффекта (туннельной ионизации).

Вопрос: Что такое туннельный микроскоп?

Ответ: Туннельный микроскоп изобретен физиками Г. Рорером и Г. Биннингом в 1982 году. С его помощью исследуются проводящие поверхности. Принцип его работы - использование туннельного эффекта. Главный элемент устройства – металлический стержень с острием, кривизна которого около 1 ангстрема. При приближении острия к поверхности образца (проводника) на расстояние 3 - 10 ангстрем возникает туннельная проницаемость потенциального барьера. Если подать напряжение на контакт, то возникнет устойчивый туннельный ток (рис.2). Значение тока варьируется в пределах 1 – 10 нА при напряжении 1 В. Расчетная вероятность туннелирования (Р), а также значение туннельного тока имеет экспоненциальную зависимость от величины зазора между исследуемым образцом и острием:

– функция, описывающая характер потенциального барьера.

Е – значение энергии электрона.

– маcса электрона.

– координата начального положения барьера.

- координата конца барьера.

Перемещение иглы туннельного микроскопа над исследуемой поверхностью вызывает изменение величины тока в зависимости от перемены рельефа проводника. Разрешающая способность – 1 ангстрем вдоль поверхности образца и 0,01 ангстрема по высоте рельефа. Туннельный микроскоп легко находит области с разным потенциалом работы выхода. Этот инструмент – незаменимый помощник для диагностики единичных атомов и молекул, а также молекулярных кластеров.