Термическая ионизация

Не следует путать с термоэлектронной эмиссией .

Термическая ионизация , также известная как поверхностная ионизация или контактная ионизация , представляет собой физический процесс, при котором атомы десорбируются с горячей поверхности и в процессе ионизируются.

Термическая ионизация используется для изготовления простых источников ионов , для масс-спектрометрии и для генерации ионных пучков . Термическая ионизация широко используется при определении атомного веса, а также во многих геологических и ядерных приложениях.

Физика

Эффект поверхностной ионизации в испаренном атоме цезия при 1500 К, рассчитанный с использованием большого канонического ансамбля . Ось Y: среднее количество электронов в атоме; Атом нейтрален, когда у него 55 электронов. Ось X: энергетическая переменная (равная работе выхода поверхности ), зависящая от химического потенциала электрона μ и электростатического потенциала φ .

Вероятность ионизации является функцией температуры нити, работы выхода подложки нити и ионизации элемента энергии .

Это суммировано в уравнении Саха-Лэнгмюра :

${\frac {n_{+}}{n_{0}}}={\frac {g_{+}}{g_{0}}}\exp {\Bigg (}{\frac {W-\Delta E_{\text{I}}}{kT}}{\Bigg )}$

где

${\frac {n_{+}}{n_{0}}}$ = отношение плотности числа ионов к плотности нейтральных чисел

${\frac {g_{+}}{g_{0}}}$ = соотношение статистических весов (вырождения) ионных ( g ₊ ) и нейтральных ( g ₀ ) состояний

$W$ = работа выхода поверхности

$\Delta E_{\text{I}}$ = энергия ионизации десорбированного элемента

$k$ = постоянная Больцмана

$T$ = температура поверхности

Отрицательная ионизация может возникать и у элементов с большим сродством к электрону. $\Delta E_{\text{A}}$ против поверхности с низкой работой выхода.

Термическая ионизационная масс-спектрометрия

Основная статья: Масс-спектрометрия с термоионизацией

Одним из применений термической ионизации является масс-спектрометрия с термической ионизацией (TIMS). При масс-спектрометрии с термической ионизацией химически очищенный материал помещается на нить части материала , которую затем нагревают до высоких температур, чтобы вызвать ионизацию по мере его термической десорбции (выпаривания) с горячей нити. Нити накала обычно представляют собой плоские кусочки металла шириной около 1–2 мм (0,039–0,079 дюйма) и толщиной 0,1 мм (0,0039 дюйма), согнутые в перевернутую U-образную форму и прикрепленные к двум контактам, подающим ток.

Этот метод широко используется при радиометрическом датировании , когда образец ионизируется в вакууме. Ионы, образующиеся на нити, фокусируются в ионный пучок, а затем проходят через магнитное поле, чтобы разделить их по массе. Затем можно измерить относительное содержание различных изотопов и получить соотношения изотопов.

Когда эти соотношения изотопов измеряются с помощью TIMS, происходит фракционирование в зависимости от массы, поскольку частицы испускаются горячей нитью. Фракционирование происходит из-за возбуждения образца и поэтому должно быть скорректировано для точного измерения соотношения изотопов.

Метод TIMS имеет несколько преимуществ. Он имеет простую конструкцию, дешевле других масс-спектрометров и производит стабильную эмиссию ионов. Он требует стабильного источника питания и подходит для веществ с низкой энергией ионизации, таких как стронций и свинец .

Недостатки этого метода связаны с максимальной температурой, достигаемой при термической ионизации. Горячая нить достигает температуры менее 2500 °C (2770 K; 4530 °F), что приводит к невозможности создания атомарных ионов веществ с высокой энергией ионизации, таких как осмий и вольфрам . Хотя в этом случае метод TIMS может создавать молекулярные ионы, частицы с высокой энергией ионизации можно более эффективно анализировать с помощью MC-ICP-MS .

См. также

• Детектор Ленгмюра – Тейлора
• Ирвинг Ленгмюр
• Мегнад Саха