Ионизация полем (полевая ионизация, автоионизация). РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Ионизация полем (полевая ионизация, автоионизация) - процесс ионизации атомов и молекул газа в сильных электрич. полях. Связанный в атоме электрон можно представить себе находящимся в потенц. яме (рис. 1, а). При включении электрич. поля напряжённостью Е к нач. потенц. энергии электрона V₀(x), находящегося в точке х, добавляется потенц. энергия еЕх, где е - заряд электрона. Вследствие этого потенц. яма становится асимметричной - с одной её стороны образуется потенц. барьер конечной ширины

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

x₁x₂ (рис. 1, б), сквозь к-рый 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 потенц. барьер определяется ф-лой:

где V(x)=V₀(x)+eEx и E - соответственно потенц. и полная энергия электрона, m - его масса. Вероятность туннелирования W(V, E) резко увеличивается при уменьшении площади барьера над прямой х₁х₂. Это происходит при увеличении напряжённости поля Е или при повышении энергии электрона в атоме E 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~10⁸ В/см, а из возбуждённых состояний - уже при Е~10⁶ В/см. Экспериментально впервые обнаружена именно полевая ионизация возбуждённых атомов: в спектре испускания атомов водорода, находящихся во внеш. электрич. поле напряжённостью ~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 основное состояние, и свечение этих линий затухает. Наиб, 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 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 потенц. барьер (см. Шоттки эффект ).Однако И. п. возможна лишь в том случае, когда расстояние атома от поверхности превышает нек-рое критич. расстояние x_кр. Это связано с тем, что при обычных темп-pax 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_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_кр также приводит к резкому уменьшению W. Поэтому И. п. практически имеет место в пределах некоторой области вблизи x_кp. 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, а также то, что в них удаётся избежать диссоциации анализируемых молекул. Кроме того, с помощью таких ионных источников можно наблюдать специфич. хим. реакции, происходящие лишь в сильных электрич. полях.

Литература по ионизации полем (полевой ионизации, автоионизации)

Знаете ли Вы, как разрешается парадокс Ольберса?
(Фотометрический парадокс, парадокс Ольберса - это один из парадоксов космологии, заключающийся в том, что во Вселенной, равномерно заполненной звёздами, яркость неба (в том числе ночного) должна быть примерно равна яркости солнечного диска. Это должно иметь место потому, что по любому направлению неба луч зрения рано или поздно упрется в поверхность звезды.
Иными словами парадос Ольберса заключается в том, что если Вселенная бесконечна, то черного неба мы не увидим, так как излучение дальних звезд будет суммироваться с излучением ближних, и небо должно иметь среднюю температуру фотосфер звезд. При поглощении света межзвездным веществом, оно будет разогреваться до температуры звездных фотосфер и излучать также ярко, как звезды. Однако в дело вступает явление "усталости света", открытое Эдвином Хабблом, который показал, что чем дальше от нас расположена галактика, тем больше становится красным свет ее излучения, то есть фотоны как бы "устают", отдают свою энергию межзвездной среде. На очень больших расстояниях галактики видны только в радиодиапазоне, так как их свет вовсе потерял энергию идя через бескрайние просторы Вселенной. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.