Автоионизацией (или ионизацией полем, полевой ионизацией) называют процесс превращения нейтрального атома или молекулы газа при помощи сильного электрического поля в ион.
Суть данного процесса можно представить следующим образом. В атоме связанный электрон можно представлять как частицу, которая находится в потенциальной яме (рис.1).
Рисунок 1.
Пусть электрон обладает потенциальной энергией $U_0(x)$ в отсутствии внешнего поля. Если поле, с напряженностью $\overrightarrow{E}$ включить, и направить против оси $X$. В такой ситуации высота потенциального барьера слева увеличивается, а справа уменьшается. В результате потенциальная яма превращается в ассиметричную. С одной стороны ямы (справа) возникает потенциальный барьер конечной ширины (рис.2). Через такой барьер электрон имеет возможность проникнуть за пределы «ямы». Возникает явление: туннельный эффект. Становится возможной ионизация с нижнего уровня атома.
Явление автоионизации можно наблюдать. Допустим, что мы имеем линию спектра, которая появляется в результате энергетического перехода $W_2\to W_1$ (обозначим уровни энергии буквами $W$, чтобы не путать здесь их с напряженностью поля) электрона в атоме. Включаем электрическое поле с напряженностью $\overrightarrow{E}$. Появляется потенциальный барьер конечной ширины. Если увеличивать напряженность поля, то ширина барьера уменьшается (увеличивается его прозрачность). При некоторой высокой напряженности вешнего электрического поля электрон, локализованный на энергетическом уровне $W_2$, имеет большую вероятность пройти через барьер, чем перейти на уровень $W_1$. При этом интенсивность линии спектра уменьшается вплоть до полного исчезновения в сильном электрическом поле.
Самые подробные исследования автоионизации проведены около поверхности металла. Для металлов автоэлектронная эмиссия начинается при полях около $E\approx {10}^5\frac{В}{см}.$
Вероятность возникновения автоионизации около поверхности металла существенно выше, чем в свободном пространстве при одинаковых напряженностях внешних электрических полей. Это происходит благодаря существованию так называемого эффекта Шоттки. Который заключается в том, что электронный ток насыщения из твердого тела растет под воздействием внешнего электрического поля, так как работа выхода электрона уменьшается. Величина, на которую уменьшается работа электронов из металла выхода при наложении однородного электрического поля обладающего напряженностью E можно вычислить по формуле:
Надо отметить, что автоионизация становится возможной только тогда, когда расстояние атома от поверхности больше некоторого критического расстояния. Этот факт объясняется тем, что при нормальных температурах для туннельного эффекта электрона в металл, необходимо, чтобы основной уровень энергии электрона в атоме достигал (при помощи внешнего электрического поля) уровня не ниже, чем уровень Ферми в металле. При приближении атома к поверхности на некоторое критическое расстояние ведет к резкому уменьшению энергии. В результате получается, что автоионизация возможно в пределах некоторой зоны. Так, для автоионного микроскопа полуширина такой зоны составляет около $0,2 - 0,4$ ангстрем.
Рисунок 2.
Явление автоионизации используется в автоионном микроскопе для того, чтобы получать увеличенное изображение поверхности. Она применяется для создания ионных источников для масс-спектрометров. У таких источников нет накаленных электродов. Кроме того в них избегают диссоциации молекул, которые подвергают анализу. И в подобных ионных источниках появляется возможность исследовать специальные химические реакции, которые возможны только в сильных электрических полях.
Существует еще так называемая Лоренцева ионизация. Она используется в ускорителях частиц. Когда используют магнитное поле для того, чтобы в атомных пучках, имеющих высокую энергию отделить электроны. Данный эффект объясняется действием сил Лоренца. Если перейти, используя преобразования Лоренца в систему отсчета ядра -- ион, то можно получить электрическое поле, которое воздействует на электрон. Получится, что эффект от ионизации Лоренца тождественен ионизации внешним электрическим полем.
Задание: Что такое надбарьерная ионизация?
Решение:
Представим связанный электрон как заряженную частицу, которая находится в потенциальной яме. Допустим, что энергоуровень на котором размещен электрон до того как наложили внешнее электрическое поле локализован выше потенциального барьера. В таком случае заряженная частица свободно вылетит из атома при включении поля. Это и есть явление надбарьерной ионизации. В том случае, если энергетический уровень на котором находится электрон ниже барьера, то отрыв электрона возможет только как туннельный эффект. В таком случае говорят, что имеет место туннельная ионизация.
Задание: Что представляет собой туннельный микроскоп?
Решение:
Туннельный микроскоп был впервые предложен в $1982$ г. Г. Биннингом и Г. Рорером. Он используется для исследования свойств проводящих поверхностей. За основу его работы принят туннельный эффект. Основной элемент данного микроскопа -- металлическое острие, радиус кривизны которого около вершины порядка $1$ ангстрема. В том случае, если такое острие подводят к поверхности проводника на расстояние от $3$ до $10$ ангстрем, туннельная проницаемость потенциального барьера (между острием и образцом) оказывается конечной и если на контакт подается напряжение, то возникает туннельный ток (рис.2). Величины такого тока около $1-10$ нА, если приложенное напряжение около $1$ В. При этом вероятность туннелирования ($P$) (и величина туннельного то) зависят по экспоненте от ширины зазора между острием и исследуемым проводником:
\[P\left(U,E\right)=exp\left\{-\frac{4\pi }{h}\int\limits^{x_2}_{x_1}{\sqrt{2m_e\left(U\left(x\right)-E\right)}}dx\right\}\left(2.1\right),\]где $U\left(x\right)$ -- функция, которая определяет форму потенциального барьера, $E$ -- энергия электрона, $m_e$ -- масса электрона, $x_1$ -- координата начала барьера, $x_2$ -- координата конца барьера.
Если перемещать иглу микроскопа по рассматриваемой поверхности, то величина тока будет меняться, отражая перемены рельефа поверхности. Разрешающая способность такого микроскопа достигает порядка одного ангстрема вдоль поверхности проводника и сотых долей ангстрема по высоте рельефа. Кроме того с помощью туннельного микроскопа можно отмечать на поверхности проводника области с повышением и понижением работы выхода. С его помощью есть возможность проводить диагностику молекулярных кластеров и единичных атомов или молекул.
Рисунок 3.
