автоіонізації

визначення 1

Автоіонізації (або іонізацією полем, польовий іонізацією) називають процес перетворення нейтрального атома або молекули газу за допомогою сильного електричного поля в іон.

Суть даного процесу можна представити таким чином. В атомі пов'язаний електрон можна представляти як частку, яка знаходиться в потенційній ямі (рис.1).

Малюнок 1.

Нехай електрон має потенційну енергією $ U_0 (x) $ в відсутності зовнішнього поля. Якщо поле, з напруженістю $ \ overrightarrow {E} $ включити, і направити проти осі $ X $. У такій ситуації висота потенційного бар'єру зліва збільшується, а праворуч зменшується. В результаті потенційна яма перетворюється в асиметричну. З одного боку ями (праворуч) виникає потенційний бар'єр кінцевої ширини (рис.2). Через такий бар'єр електрон має можливість проникнути за межі «ями». Виникає явище: тунельний ефект. Стає можливою іонізація з нижнього рівня атома.

Явище автоіонізації можна спостерігати. Припустимо, що ми маємо лінію спектра, яка з'являється в результаті енергетичного переходу $ W_2 \ to W_1 $ (позначимо рівні енергії буквами $ W $, щоб не плутати тут їх з напруженістю поля ) Електрона в атомі. Включаємо електричне поле з напруженістю $ \ overrightarrow {E} $. З'являється потенційний бар'єр кінцевої ширини. Якщо збільшувати напруженість поля, то ширина бар'єру зменшується (збільшується його прозорість). При деякій високої напруженості весняного електричного поля електрон, локалізований на енергетичному рівні $ W_2 $, має велику ймовірність пройти через бар'єр, ніж перейти на рівень $ W_1 $. При цьому інтенсивність лінії спектра зменшується аж до повного зникнення в сильному електричному полі.

Нічого не зрозуміло?

Спробуй звернутися за допомогою до викладачів

Найдетальніші дослідження автоіонізації проведені біля поверхні металу. Для металів автоелектронна емісія починається при полях близько $ E \ approx {10} ^ 5 \ frac {У} {см}. $

Імовірність виникнення автоіонізації біля поверхні металу істотно вище, ніж у вільному просторі при однакових напряженностях зовнішніх електричних полів. Це відбувається завдяки існуванню так званого ефекту Шотткі. Який полягає в тому, що електричний струм насичення з твердого тіла зростає під впливом зовнішнього електричного поля, так як робота виходу електрона зменшується. Величина, на яку зменшується робота електронів з металу виходу при накладенні однорідного електричного поля володіє напруженістю E можна обчислити за формулою:

зауваження 1

Треба відзначити, що автоіонізації стає можливою тільки тоді, коли відстань атома від поверхні більше деякого критичного відстані. Цей факт пояснюється тим, що при нормальних температурах для тунельного ефекту електрона в метал, необхідно, щоб основний рівень енергії електрона в атомі досягав (за допомогою зовнішнього електричного поля) рівня не нижче, ніж рівень Фермі в металі. При наближенні атома до поверхні на деяке критичне відстань веде до різкого зменшення енергії. В результаті виходить, що автоіонізації можливо в межах певної зони. Так, для автоіонного мікроскопа полушіріна такої зони становить близько $ 0,2 - 0,4 $ ангстрем.

Малюнок 2.

Явище автоіонізації використовується в автоіонном мікроскопі для того, щоб отримувати збільшене зображення поверхні. Вона застосовується для створення іонних джерел для мас-спектрометрів. У таких джерел немає розжарених електродів. Крім того в них уникають дисоціації молекул, які аналізують. І в подібних іонних джерелах з'являється можливість досліджувати спеціальні хімічні реакції, які можливі тільки в сильних електричних полях.

Існує ще так звана Лоренцева іонізація. Вона використовується в прискорювачах частинок. Коли використовують магнітне поле для того, щоб в атомних пучках, що мають високу енергію відокремити електрони. Даний ефект пояснюється дією сил Лоренца. Якщо перейти, використовуючи перетворення Лоренца в систему відліку ядра - іон, то можна отримати електричне поле, яке впливає на електрон. Вийде, що ефект від іонізації Лоренца тотожний іонізації зовнішнім електричним полем.

приклад 1

Завдання: Що таке надбар'єрного іонізація?

Рішення:

Уявімо пов'язаний електрон як заряджену частинку, яка знаходиться в потенційній ямі. Припустимо, що енергоуровень на якому розміщений електрон до того як наклали зовнішнє електричне поле локалізована вище потенційного бар'єру. В такому випадку зарядженачастка вільно вилетить з атома при включенні поля. Це і є явище надбар'єрною іонізації. У тому випадку, якщо енергетичний рівень на якому знаходиться електрон нижче бар'єру, то відрив електрона можливий тільки як тунельний ефект. У такому випадку говорять, що має місце тунельна іонізація.

приклад 2

Завдання: Що являє собою тунельний мікроскоп?

Рішення:

Тунельний мікроскоп був вперше запропонований в $ тисячі дев'ятсот вісімдесят два $ м Г. Біннінг і Г. Рорером. Він використовується для дослідження властивостей провідних поверхонь. За основу його роботи прийнято тунельний ефект. Основний елемент даного мікроскопа - металеве вістря, радіус кривизни якого близько вершини близько $ 1 $ ангстрема. У тому випадку, якщо таке вістря підводять до поверхні провідника на відстань від $ 3 $ до $ 10 $ ангстрем, тунельна проникність потенційного бар'єру (між вістрям і зразком) виявляється кінцевої і якщо на контакт подається напруга, то виникає тунельний струм (рис.2). Величини такого струму близько $ 1-10 $ нА, якщо прикладена напруга близько $ 1 $ В. При цьому ймовірність тунелювання ($ P $) (і величина тунельного то) залежать по експоненті від ширини зазору між вістрям і досліджуваним провідником:

\ [P \ left (U, E \ right) = exp \ left \ {- \ frac {4 \ pi} {h} \ int \ limits ^ {x_2} _ {x_1} {\ sqrt {2m_e \ left (U \ left (x \ right) -E \ right)}} dx \ right \} \ left (2.1 \ right), \]

де $ U \ left (x \ right) $ - функція, яка визначає форму потенційного бар'єра, $ E $ - енергія електрона, $ m_e $ - маса електрона, $ x_1 $ - координата початку бар'єру, $ x_2 $ - - координата кінця бар'єру.

Якщо переміщати голку мікроскопа з даної поверхні, то величина струму буде змінюватися, відображаючи зміни рельєфу поверхні. Роздільна здатність такого мікроскопа досягає близько одного ангстрема уздовж поверхні провідника і сотої частки ангстрема по висоті рельєфу. Крім того за допомогою тунельного мікроскопа можна відзначати на поверхні провідника області з підвищенням і зниженням роботи виходу. З його допомогою є можливість проводити діагностику молекулярних кластерів і одиничних атомів або молекул.

Малюнок 3.