ИОНИЗАЦИЯ ПОЛЕМ

ИОНИЗАЦИЯ ПОЛЕМ

(полевая ионизация, автоионизация) - процесс ионизации атомов и молекул газа в сильных электрич. полях. Связанный в атоме электрон можно представить себе находящимсяв 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 х ₁ х ₂. Это происходит при увеличении напряжённости поля Еили 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 излучательныйпереход 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 лишьв 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 Wрезко 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. Наумовeц.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988.