ИОНИЗА́ЦИЯ ПО́ЛЕМ

Рис. 1. Диаграммы потенциальной энергии V(x) электрона в свободном пространстве без поля (а) и при наличии поля (б).

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 $V_0(x)$, 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 $x_1x_2$ (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 $W(V,\, \mathscr{E})$ 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).

Рис. 2. Диаграмма потенциальной энергии V(x) 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 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.