Ионизация полем

Иониза́ция по́лем (также полевая ионизация или автоионизация) — процесс ионизации атома, молекулы или иона во внешнем электрическом поле.

Физика явления

При наложении внешнего электрического поля потенциальная яма, в которой находится связанный электрон, претерпевает деформацию. В результате с одной стороны ямы образуется потенциальный барьер конечной толщины. Если положение энергетического уровня, на котором находился электрон до наложения поля, выше барьера, то электрон свободно вылетает из атома. В этом случае говорят о надбарьерной ионизации. Если же уровень лежит ниже барьера, то отрывание электрона возможно только за счёт эффекта туннелирования. В этом случае говорят о туннельной ионизации.

Туннельная ионизация

Вероятность туннелирования электрона сквозь потенциальный барьер определяется формулой

$W(V, E) = \exp\left[-\frac{4\pi}{h} \int\limits_{x_1}^{x_2} \sqrt{2m(V(x)-E)}dx\right]$

где $V(x)$ — функция, определяющая форму потенциального барьера, $E$ — энергия электрона, $m$ — масса электрона, а точки $x_1$ и $x_2$ соответствуют началу и концу барьера.

Вероятность туннелирования растёт с ростом величины внешнего поля (поскольку это уменьшает толщину и высоту потенциального барьера), а также при увеличении энергии электрона в атоме (например, в результате возбуждения атома при столкновениях с другими частицами).

Лоренцева ионизация

В физике ускорителей часто применяется Лоренцева ионизация атомарных пучков высокой энергии — обдирка электронов во внешнем магнитном поле. С одной стороны этот эффект можно объяснять как разность сил Лоренца, действующих на электрон и ядро, вследствие разного знака электрического заряда. С другой стороны, перейдя с помощью преобразований Лоренца в систему отсчёта ядра иона, мы получим электрическое поле, действующее на электрон. Иными словами, эффект Лоренцевой ионизации полностью эквивалентен ионизации внешним электрическим полем.

Применение

Полевая ионизация вблизи металлической поверхности является основой для полевого ионного микроскопа (например, используется как ионный источник в сканирующем гелиевом ионном микроскопе), позволяющего получать изображения поверхности металлов. Ионизация в электрическом поле применяется также как ионный источник в некоторых масс-спектрометрах. По сравнению с термоионизацией она позволяет избегать диссоциации анализируемых молекул.

Литература

• А. Г. Наумовец Ионизация полем // Физическая энциклопедия / Д. М. Алексеев, А. М. Балдин, А. М. Бонч-Бруевич, А. С. Боровик-Романов, Б. К. Вайнштейн, С. В. Вонсовский, А. В. Гапонов-Грехов, С. С. Герштейн, И. И. Гуревич, А. А. Гусев, М. А. Ельяшевич, М. Е. Жаботинский, Д. Н. Зубарев, Б. Б. Кадомцев, И. С. Шапиро, Д. В. Ширков; под общ. ред. А. М. Прохорова. — М.: Советская энциклопедия, 1990. — Т. 2. — С. 195—196. — 704 с.