Ионизация полем

ИОНИЗАЦИЯ ПОЛЕМ (полевая ионизация), процесс ионизации атомов и молекул газа в сильных электрических полях. Связанный в атоме электрон можно представить находящимся в потенциальной яме (рис. 1, а). При включении электрического поля напряжённостью Е к начальной потенциальной энергии электрона V₀(х), находящегося в точке х, добавляется потенциальная энергия еЕх, где е - заряд электрона. Вследствие этого потенциальная яма становится асимметричной: с одной её стороны образуется потенциальный барьер конечной ширины х₁х₂ (рис. 1,б), сквозь который электрон может «просочиться», т. е. будет иметь место туннельный эффект и будет возможна ионизация с нижнего (основного) уровня атома. Вероятность W(V, Е) туннелирования электрона сквозь потенциальный барьер определяется формулой

где V(х) = V₀(х)+eEx и Е - соответственно потенциальная и полная энергии электрона, m - его масса, h - постоянная Планка. Вероятность туннелирования W(V, Е) резко увеличивается при уменьшении площади барьера над прямой х₁х₂. Это происходит при увеличении напряжённости поля Е или при повышении энергии Е электрона в атоме какими-либо другими способами (например, при туннелировании электронов с возбуждённых уровней). Так, вероятность ионизации полем атома водорода из основного состояния достигает заметной величины лишь при Е порядка 10⁸ В/см, из возбуждённых состояний - уже при Е порядка 10⁶ В/см. Экспериментально впервые обнаружена именно ионизация полем возбуждённых атомов: в спектре испускания атомов водорода, находящихся во внешнем электрическом поле напряжённостью порядка 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 ионизация полем возбуждённых атомов становится более вероятным процессом, чем их излучательный переход в основное состояние, и свечение этих линий затухает.

Наиболее полно исследована ионизация полем вблизи поверхности металла, так как она используется в полевом ионном микроскопе для получения увеличенного изображения поверхности (смотри Ионный проектор).

Вероятность ионизации полем у поверхности металла оказывается значительно большей, чем в свободном пространстве при той же напряжённости поля, что обусловлено действием сил «изображения», снижающих потенциальный барьер (смотри Шоттки эффект). Однако ионизация полем возможна лишь в том случае, если расстояние атома от поверхности превышает некоторое критическое расстояние x_kp. Это связано с тем, что при обычных температурах для осуществления туннельного перехода электрона в металл необходимо, чтобы основной уровень энергии электрона в атоме был поднят электрическим полем хотя бы до уровня Ферми (смотри Ферми-энергия) в металле (рис. 2). Если атом приблизится к поверхности на х < x_kp, то уровень энергии электрона в атоме окажется ниже уровня Ферми в металле и W резко уменьшится. С другой стороны, удаление атома от поверхности металла при х > x_kp также приводит к резкому уменьшению W. Поэтому ионизация полем практически имеет место в пределах некоторой области вблизи x_kp. В рабочем режиме полевого ионного микроскопа полуширина этой зоны составляет 0,02-0,04 нм.

Явление ионизации полем применяется также при создании ионных источников для масс-спектрометров. Достоинством таких источников является отсутствие в них накалённых электродов и возможность избежать диссоциации анализируемых молекул. Кроме того, с помощью таких ионных источников можно наблюдать специфические химические реакции, происходящие лишь в сильных электрических полях.

Лит.: Мюллер Э., Цонь Т. Автоионная микроскопия. М., 1972; они же. Полевая ионная микроскопия, полевая ионизация и полевое испарение. М., 1980; Покровский В. А. Полевая масс-спектрометрия // Автоионная и автоэлектронная микроскопия и спектроскопия. М., 2003.