Автоионизация (полевая ионизация)

Автоионизация (полевая ионизация), процесс ионизации атомов и молекул газа в сильных злектрич. полях. Связанный эл-н в атоме можно представить находящимся в потенциальной яме (рис. 1,а). При включении электрич. поля напряжённостью E к начальной потенциальной энергии электрона V0(x), находящегося в точке x, добавляется потенциальная энергия еЕх, где е — заряд электрона. Вследствие этого потенциальная яма становится асимметричной — с одной её стороны образуется потенциальный барьер конечной ширины x1x2 (рис. 1, б), сквозь который электрон может «просочиться», т. е. будет иметь место туннельный эффект и будет возможна ионизация с нижнего уровня атома. Вероятность W(V, E) туннелирования электрона сквозь потенциальный барьер определяется формулой:






где V(x)=V0(x)+eEx и E— соответственно потенциальная и полная энергия электрона, m— его масса. Вероятность W(V, Е) туннелирования резко увеличивается при уменьшении площади барьера над прямой x1x2. Это происходит при увеличении напряжённости поля E или при повышении энергии Е электрона в атоме какими-либо другими способами (например, при туннелировании электронов с возбуждённых уровней). Так, вероятность автоионизации атома водорода из основного состояния достигает заметной величины лишь при Е≈108 В/см, а из возбуждённых состояний — уже при Е=106 В/см. Экспериментально впервые обнаружена именно автоионизация возбуждённых атомов: в спектре испускания атомов водорода, находящихся во внешнем электрическом поле напряжённостью ≈106 В/см, было обнаружено падение интенсивности линий, связанных с квантовыми переходами электронов из наиболее высоких возбуждённых состояний в основное. Явление было объяснено тем, что автоионизация возбуждённых атомов становится более вероятным процессом, чем их излучат, переход в основное состояние, и свечение этих линий затухает.






Наиболее полно исследована автоионизация вблизи поверхности металла, т. к. она используется в автоионном микроскопе для получения увеличенного изображения поверхности (см. Ионный проектор). Вероятность автоионизации у поверхности металла оказывается значительно большей, чем в свободном пространстве при той же напряжённости поля, что обусловлено действием сил «изображения», снижающих потенцальный барьер (см. Шоттки эффект). Однако автоионизация возможна лишь в том случае, когда расстояние атома от поверхности превышает некоторое критическое расстояние xкр. Это связано с тем, что при обычных температуpax для осуществления туннельного перехода электрона в металл необходимо, чтобы основной уровень энергии электрона в атоме был поднят электрическим полем хотя бы до уровня Ферми (см. Ферми энергия) в металле (рис. 2).






Если атом приблизится к поверхности на x<xкр также приводит к резкому уменьшению W. Поэтому автоионизации практически имеет место в пределах некоторой зоны вблизи хкр. В рабочем режиме автоионного микроскопа полуширина этой зоны составляет 0,2—0,4 A. Явление автоионизация используется 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 специфические химические реакции, происходящие лишь в сильных электрических полях.