ИОНИЗА́ЦИЯ ПО́ЛЕМ
-
Рубрика: Физика
-
-
Скопировать библиографическую ссылку:
Книжная версия:
Электронная версия:
ИОНИЗА́ЦИЯ ПО́ЛЕМ (полевая ионизация), процесс ионизации атомов и молекул газа в сильных электрич. полях. Связанный в атоме электрон 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 eEx, где e – 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 (основного) уровня атома. Вероятность W(V,E) туннелирования электрона сквозь потенциальный барьер определяется формулой W(V,\, \mathscr{E})=\exp \Biggl\{-\frac{4π}{h} \int\limits_{x_1}^{x_2} \sqrt{2m[V(x)- \mathscr{E}]dx} \Biggl\}, где V(x)=V_0(x)+eEx и \mathscr{E} – соответственно потенциальная и полная энергии электрона, m – его масса, h – постоянная Планка. Вероятность туннелирования W(V,\,E) резко увеличивается при уменьшении площади барьера над прямой x_1x_2. Это происходит при увеличении напряжённости поля E или при повышении энергии ℰ электрона в атоме 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 порядка 108 В/см, из возбуждённых состояний – уже при E порядка 106 В/см. Экспериментально впервые обнаружена именно И. п. возбуждённых атомов: в спектре испускания атомов водорода, находящихся во внешнем электрич. 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 И. п. возбуждённых атомов становится более вероятным процессом, чем их излучательный переход в осн. состояние, и свечение этих линий затухает.
,
Наиболее полно исследована И. п. вблизи поверхности металла, т. к. она используется в полевом ионном микроскопе для получения увеличенного изображения поверхности (см. Ионный проектор).
Вероятность И. п. у поверхности металла оказывается значительно большей, чем в свободном пространстве при той же напряжённости поля, что обусловлено действием сил «изображения», снижающих потенциальный барьер (см. Шоттки эффект). Однако И. п. возможна лишь в том случае, если расстояние атома от поверхности превышает некоторое критич. расстояние x_{\text{кр}}. Это связано с тем, что при обычных температуpax 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}_{\text{кр}}, то уровень энергии электрона в атоме окажется ниже уровня Ферми в металле и W резко уменьшится. С др. стороны, удаление атома от поверхности металла при x>x_{\text{кр}} также приводит к резкому уменьшению W. Поэтому И. п. практически имеет место в пределах некоторой области вблизи x_{\text{кр.}} 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 и возможность избежать диссоциации анализируемых молекул. Кроме того, с помощью таких ионных источников можно наблюдать специфич. химич. реакции, происходящие лишь в сильных электрич. полях.