Эффект Оже
Эффект Оже (автоионизация возбужденного атома) происходит в электронной оболочке атома и вызывает поглощение рентгеновских лучей. Данное явление взаимосвязано с процессом перераспределения энергии внутри атома, который находится в состоянии возбуждения. Эффект Оже следует отличать от фотоионизации. (Фотоионизация -- явление непосредственного вылета электрона за пределы атома, при поглощении рентгеновского кванта.) Эффект Оже имеет две стадии:
- Рентгеновский квант поглощается. Происходит возбуждение атома. При этом электрон из $K$ -- слоя освобождается и таким образом образуется дырка в соответствующем слое.
-
Заполнение дырки $K$ - слоя электроном, который перескакивает из $L$ -- слоя. В таком случае избыток энергии величиной:
\[\triangle E=E_K-E_L(1)\]
выделяется в виде кванта характеристического излучения или ведет к испусканию электрона из верхних оболочек атома.
При этом дырка в $L$ -- слое сохраняется и появляется дырка еще одна дырка в одном из слоев, находящихся выше. Получается, что атом становится ионизированным дважды. Выше описанный процесс носит название эффекта Оже. Испускаемый электрон, в таком процессе, называют электроном Оже.
Оже обнаружил свой эффект, проводя фотографирование в камере Вильсона фотоэлектронов, которые освобождались рентгеновскими лучами из атомов тяжелых инертных газов (криптона). Он увидел, что в части случаев в одной точке начинаются два электронных следа. Один след оставлял электрон, который возникал в результате фотоионизации в $K$ - слое, другой след -- электрон, который появлялся в результате перераспределения энергии внутри возбужденного атома (то есть в результате эффекта Оже).
Электроны Оже уносят существенную часть энергии атома, находящегося в возбуждении. Особенно сильным является эффект Оже тогда, когда переходы с излучением фотонов являются запрещенными (например, в $0-0$ переходах).
Энергия связи внутренних электронов в атоме очень велика. Так, что если электрон переходит во внешнюю незаполненную оболочку или удаляется из атома, то возбужденный атом становится механически неустойчивым относительно ионизации, которая сопровождается перестройкой электронной оболочки и возникновением устойчивого иона. Но, так как взаимодействия между электронами малы в атоме, то вероятность такого перехода относительно невелика, поэтому продолжительность жизни возбужденного состояния малой считать нельзя. Следовательно, ширина уровня является небольшой для того, чтобы имело смысл рассмотреть энергии атома с возбужденным внутренним электроном как дискретные уровни энергии квазистационарных состояний атома. Такие уровни называют рентгеновскими термами. Переходы между такими термами реализуются с испусканием атомом рентгеновских лучей. Рентгеновские термы именуются указанием оболочки, из которой удален электрон, и в которой возникла дырка. Куда попал электрон, практически не отражается на энергии атома и поэтому несущественно.
Ширина рентгеновского терма определена суммарной вероятностью всех процессов перестройки электронной оболочки с заполнением возникшей дырки. Если мы имеем дело с тяжелыми атомами, то в них основную роль играют переходы дырки из данной оболочки в более высокую, что означает переход электрона с более высоких в низкие состояния. Этот переход, называемый радиационным, сопровождается испусканием рентгеновского кванта. Вероятность подобных переходов, и соответствующая часть ширины уровня быстро возрастает при увеличении номера атома в периодической системе.
Для легких атомов превалирующую роль в определении ширины уровня выполняют безызлучательные переходы. В них энергия, которая освобождается при заполнении дырки высоким электроном, используется для вырывания из атома другого внутреннего электрона. То есть для легких атомов более значимым является эффект Оже.
Следует заметить, что энергия, которую получает Оже - электрон не зависит от энергии излучения, которое вызывает возбуждение. Она определена структурой энергоуровней атома. Спект Оже -- электронов является дискретным.
В некотором смысле Оже эффект является внутренним фотоэлектрическим эффектом, но надо заметить, что в действительности фотон в атоме не появляется. В большинстве атомов эффект Оже конкурирует с рентгеновским излучением, но появляющиеся при этом электроны поглощаются в материале мишени, тогда как рентгеновское излучение проникает наружу и является регистрируемым.
Оже эффект лежит в основе Оже- электронной спектроскопии (AES - Auger Electron Spectroscopy). В ней состав исследуемого материала определяется по измерению энергетического распределения электронов, которые испускаются во время облучения пучком быстрых электронов. Глубина наблюдения составляет примерно $10-30$ ангстрем. Определение атомов при помощи спектроскопии уровней остова основывается на величинах энергии связи электронов. В спектроскопии, на Оже -- эффекте энергия вылетающего электрона определена как разность энергии связи, которая снимает возбуждение атома в процессе перераспределения его электронных оболочек и испускании Оже -- электронов, обладающих характеристическими энергиями. На рис. 1 изображены безызлучательные Оже процессы ликвидации возбуждения, в которых атом имеет две вакансии (дырки). На рис.1 Оже- переход $KL_1L_1$ отражает ситуацию: первоначальная дырка находится в $K$ -- оболочке, она заполняется электроном с $L_1$ -- оболочки, при этом одновременно другой $L_1$ -- электрон выбрасывается из атома.
В том случае, если одна из дырок конечного состояния атома находится на той же самой оболочке, что и первичная вакансия (не в той же подоболочке), то такой переход называют переходом Костера - Кронига. Скорости переходов Костера - Кронига много больше, чем скорости нормальных переходов Оже и оказывают влияние на относительные интенсивности линий Оже.
Энергия вылетающего электрона равна: $E_e=E_K-E_{L_1}-E_{L_1}.$
Рисунок 1.
Электрон -- электронные взаимодействия наиболее сильные между электронами, орбитали которых расположены ближе друк к другу. Самыми сильными Оже -- переходами являются переходы типа $KLL$ и $LMM$. Оже- переходы, которые вовлекают отдаленные орбитали имеют энергетическую ширину в два раза больше, чем ширина валентой зоны.
Примеры задач
На рис.2(a,b) изображены схематически различные двухэлектронные процессы снятия возбуждения атома. Оже -- переход и переход Костера -- Кронига. Какой рисунок, какому переходу соответствует?
Рисунок 2.
Решение:
Рассмотрим рис.2 (а). Здесь изображен переход с первоначальной вакансии $2s$ в $L$ -- оболочке. При этом электрон $M$ -- оболочки ($M_1$ - электрон) заполняет $L$ -- дырку, при этом другой электрон $M$ -- оболочки ($M_1$ - электрон) вылетает из атома. На рис. 2(а) изображен ${L_1M}_1M_1$ Оже переход.
Рассмотрим рис. 2(b). Первоначально вакансия локализована на $L_1$ -- оболочке. Она заполняется электроном той же оболочки, другой подоболочки $(L_2)$. На схеме изображен переход Костера -- Кронига ($LLM$).
Ответ: Рис.2 (а) -- Оже -- переход, рис. 2(b) - переход Костера -- Кронига.
Оже -- электронная спектроскопия является поверхностно чувствительной методикой. Так, например, очень малые количества типичных загрязнений углерода, азота и кислорода с ее помощью легко обнаруживаются на поверхности твердого тела. Можно ли обнаружить водород в аналогичных условиях при помощи Оже- измерений?
Решение:
Оже измерения не помогут обнаружить водород на поверхности твердого тела, так как для проведения таких измерений необходимы три электрона.
