Ионизация Пеннинга - Penning ionization

Ионизация Пеннинга это форма хемиионизация, процесс ионизации, включающий реакции между нейтральными атомами или молекулами.^[1][2]Эффект Пеннинга находит практическое применение в таких приложениях, как газовый разряд. неоновые лампы и флюоресцентные лампы, где лампа заполнена Смесь пеннинга для улучшения электрических характеристик ламп.

История

Процесс назван в честь голландского физика. Франс Мишель Пеннинг кто первым сообщил об этом в 1927 году. Пеннинг начал работать в Philips Natuurkundig Laboratorium в Эйндховене, чтобы продолжить исследования электрического разряда на инертных газах. Позже он начал измерения высвобождения электронов с металлических поверхностей положительными ионами и метастабильными атомами, и особенно эффектов, связанных с ионизацией метастабильными атомами.^[3]

Реакция

Ионизация Пеннинга относится к взаимодействию между электронно возбужденным атомом газовой фазы G^* и молекула-мишень M. Столкновение приводит к ионизации молекулы с образованием катиона M^+., электрон e⁻, и молекула нейтрального газа G в основном состоянии.^[4] Ионизация Пеннинга происходит за счет образования высокоэнергетического комплекса столкновений, эволюционирующего в сторону образования катионных частиц, путем выброса высокоэнергетического электрона.^[5]

${displaystyle {ce {{G^{ast }}+M->{M^{+ullet }}+{e^{-}}+G}}}$

Процесс ионизационного взаимодействия между возбужденной молекулой и молекулой-мишенью.

Ионизация Пеннинга происходит, когда целевая молекула имеет потенциал ионизации ниже энергии возбужденного состояния атома или молекулы в возбужденном состоянии.

Варианты

Когда полная энергия электронного возбуждения сталкивающихся частиц достаточна, тогда энергия связи двух частиц, которые связаны вместе, также может вноситься в акт ассоциативной ионизации Пеннинга.^[6][7][8]Ассоциативный Ионизация Пеннинга также может происходить:

${displaystyle {ce {{G^{ast }}+M->{MG^{+ullet }}+e^{-}}}}$

Поверхностная ионизация Пеннинга (оже-девозбуждение) относится к взаимодействию газа в возбужденном состоянии с поверхностью S, что приводит к высвобождению электрона:

${displaystyle {ce {{G^{ast }}+S->{G}+{S}+e^{-}}}}$

Символ положительного заряда ${displaystyle {ce {S+}}}$ которая, казалось бы, требуется для сохранения заряда, опускается, потому что S - это макроскопическая поверхность, и потеря одного электрона оказывает незначительное влияние.

Приложения

Электронная спектроскопия

Ионизация Пеннинга была применена к ионизационной электронной спектроскопии Пеннинга (Пироги)за газовая хроматография детектор в тлеющем разряде с использованием реакции на He^* или Ne^*.^[2][9] Кинетическая энергия выброшенного электрона анализируется столкновениями между мишенью (газом или твердым телом) и метастабильными атомами путем сканирования тормозящего поля в пролетной трубе анализатора в присутствии слабого магнитного поля.^[9][10] Электрон, образованный в результате реакции, имеет кинетическую энергию E, определяемую:

${displaystyle E=E_{ ext{m}}+IE}$

Энергия электронов ионизации Пеннинга не зависит от условий экспериментов или каких-либо других частиц, поскольку оба E_м и IE - атомные или молекулярные константы энергии He^* и энергия ионизации для частиц.^[2] Ионизационная электронная спектроскопия Пеннинга применительно к твердым органическим веществам. Это позволяет изучать локальное электронное распределение отдельных молекулярных орбиталей, которые выходят наружу из самых внешних поверхностных слоев.^[11]

Масс-спектрометрии

Множественные масс-спектрометрические методы^[12], включая масс-спектрометрию тлеющего разряда и прямой анализ в реальном времени масс-спектрометрия основана на ионизации Пеннинга.

Масс-спектрометрия тлеющего разряда - это прямое определение микроэлементов в твердых образцах. Это происходит с двумя механизмами ионизации: ионизация прямым электронным ударом и ионизация Пеннинга. Процессы, присущие тлеющему разряду, а именно катодное распыление в сочетании с ионизацией Пеннинга, дают популяцию ионов, из которой могут быть непосредственно получены полуколичественные результаты.^[13]

Смотрите также

• Химическая ионизация

Рекомендации

1. Arango, C.A .; Шапиро, М .; Брюмер, П. (2006). «Холодные атомные столкновения: когерентное управление пеннингом и ассоциативной ионизацией». Phys. Rev. Lett. 97 (19): 193202. arXiv:физика / 0610131. Bibcode:2006ПхРвЛ..97с3202А. Дои:10.1103 / PhysRevLett.97.193202. PMID  17155624.
2. Hiraoka, K .; Furuya, H .; Kambara, S .; Suzuki, S .; Хашимото, Й .; Такамидзава А. (2006). "Пеннинговая ионизация алифатических углеводородов при атмосферном давлении". Rapid Commun. Масс-спектрометрия. 20 (21): 3213–22. Bibcode:2006RCMS ... 20.3213H. Дои:10.1002 / RCM.2706. PMID  17016831.
3. Пеннинг, Ф. М. (1927). "Убер-ионизация метастабильных атомов" [Об ионизации метастабильных атомов]. Die Naturwissenschaften (на немецком). 15 (40): 818. Bibcode:1927NW ..... 15..818P. Дои:10.1007 / bf01505431.
4. ИЮПАК, Сборник химической терминологии 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Исправленная онлайн-версия: (2006–) "Смесь газов Пеннинга ". Дои:10.1351 / goldbook.P04476
5. Фальчинелли, Стефано; Кандори, Пьетро; Беттони, Марта; Пирани, Фернандо; Vecchiocattivi, Франко (2014). "Пеннинговая ионизационная электронная спектроскопия сероводорода метастабильными атомами гелия и неона". Журнал физической химии A. 118 (33): 6501–6506. Bibcode:2014JPCA..118.6501F. Дои:10.1021 / jp5030312. PMID  24796487.
6. ИЮПАК, Сборник химической терминологии 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Исправленная онлайн-версия: (2006–) "ассоциативная ионизация ". Дои:10.1351 / goldbook.A00475
7. *Джонс, Д. М .; Далер, Дж. С. (апрель 1988 г.). «Теория ассоциативной ионизации». Физический обзор A. 37 (8): 2916–2933. Bibcode:1988PhRvA..37.2916J. Дои:10.1103 / PhysRevA.37.2916. PMID  9900022.
8. Коэн, Джеймс С. (1976). «Многоступенчатая модель пересечения кривой для рассеяния: ассоциативная ионизация и передача возбуждения в гелии». Физический обзор A. 13 (1): 99–114. Bibcode:1976PhRvA..13 ... 99C. Дои:10.1103 / PhysRevA.13.99.
9. Харада, Йошия (1990). «Пеннинговая ионизационная электронная спектроскопия органических молекул: стереохимия молекулярных орбиталей». Pure Appl. Chem. 62 (3): 457–462. Дои:10.1351 / pac199062030457.
10. Yoshihiro, Y .; Hideyasu, T .; Ryo, M .; Hideo, Y .; Fuminori, M .; Коичи, О. (200). «Высокочувствительный электронный спектрометр для столкновительной ионизации со скрещенными лучами: анализатор магнитных бутылок замедляющего типа и его применение в ионизационной электронной спектроскопии Пеннинга с разрешением по энергии столкновений». Обзор научных инструментов. 71 (3): 3042–49. Bibcode:2000RScI ... 71.3042Y. Дои:10.1063/1.1305819.
11. Харада, Йошия; Одзаки, Хироюки (1987). "Пеннинговая ионизационная электронная спектроскопия: ее применение для определения характеристик поверхности твердых органических веществ". Jpn. J. Appl. Phys. 26 (8): 1201–1214. Bibcode:1987JaJAP..26.1201H. Дои:10.1143 / JJAP.26.1201.
12. Гросс, Дж. Х. (2014). «Прямой анализ в реальном времени --- критический обзор DART-MS». Анальный Биоанал Химия. 406: 63–80. Дои:10.1007 / s00216-013-7316-0. PMID  24036523.
13. King, F. L .; Teng, J .; Штайнер, Р. Э. (1995). «Особенность: Учебное пособие. Масс-спектрометрия тлеющего разряда: Определение микроэлементов в твердых образцах». Журнал масс-спектрометрии. 30 (8): 1060–1075. Bibcode:1995JMSp ... 30,1061K. CiteSeerX  10.1.1.549.6325. Дои:10.1002 / jms.1190300802.