Ионизация Пеннинга

Процесс ионизации

Ионизация Пеннинга — это форма хемоионизации , процесса ионизации, включающего реакции между нейтральными атомами или молекулами. ^{[1] [2]} Эффект Пеннинга находит практическое применение в таких устройствах, как газоразрядные неоновые лампы и люминесцентные лампы , где лампа заполнена смесью Пеннинга для улучшения электрических характеристик ламп.

История

Процесс назван в честь голландского физика Франса Мишеля Пеннинга , который впервые сообщил о нем в 1927 году. Пеннинг начал работать в Philips Natuurkundig Laboratorium в Эйндховене, чтобы продолжить исследование электрического разряда на инертных газах. Позже он начал измерения по освобождению электронов с металлических поверхностей положительными ионами и метастабильными атомами, и особенно по эффектам, связанным с ионизацией метастабильными атомами. ^[3]

Реакция

Ионизация Пеннинга относится к взаимодействию между электронно-возбужденным атомом газовой фазы G ^* и целевой молекулой M. Столкновение приводит к ионизации молекулы, в результате чего образуется катион M ^+. , электрон e ⁻ и нейтральная газовая молекула G в основном состоянии. ^[4] Ионизация Пеннинга происходит посредством образования комплекса столкновения высокой энергии, развивающегося в направлении образования катионного вида путем выброса электрона высокой энергии. ^[5]

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

Процесс ионизационного взаимодействия между возбужденной молекулой и молекулой-мишенью.

Ионизация Пеннинга происходит, когда молекула-мишень имеет потенциал ионизации ниже, чем возбужденная энергия атома или молекулы в возбужденном состоянии.

Варианты

Когда общая энергия электронного возбуждения сталкивающихся частиц достаточна, то энергия связи двух частиц, которые связаны вместе, также может быть внесена в акт ассоциативной ионизации Пеннинга. ^{[6] [7] [8]} Ассоциативная ионизация Пеннинга также может происходить:

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

Поверхностная ионизация Пеннинга (девозбуждение Оже) представляет собой взаимодействие возбужденного газа с поверхностью S, приводящее к высвобождению электрона:

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

Символ положительного заряда , который, казалось бы, необходим для сохранения заряда, опущен, поскольку S представляет собой макроскопическую поверхность, а потеря одного электрона имеет незначительный эффект. ${\displaystyle {\ce {S+}}}$

Приложения

Электронная спектроскопия

Ионизация Пеннинга была применена к электронной спектроскопии с ионизацией Пеннинга ( PIES ) для детектора газовой хроматографии в тлеющем разряде с использованием реакции для He ^* или Ne ^* . ^{[2] [9]} Кинетическая энергия выброшенного электрона анализируется путем столкновений между мишенью (газ или твердое тело) и метастабильными атомами путем сканирования задерживающего поля в пролетной трубке анализатора в присутствии слабого магнитного поля. ^{[9] [10]} Электрон, полученный в результате реакции, имеет кинетическую энергию E, определяемую следующим образом:

${\displaystyle E=E_{\text{m}}+IE}$

Энергия ионизации электронов Пеннинга не зависит от условий экспериментов или других видов, поскольку как E _{m ,} так и IE являются атомными или молекулярными константами энергии He ^* и энергии ионизации для вида. ^[2] Спектроскопия ионизации электронов Пеннинга, применяемая к органическим твердым телам. Она позволяет изучать локальное распределение электронов отдельных молекулярных орбиталей, которые экспонируются снаружи самых внешних поверхностных слоев. ^[11]

Масс-спектрометрия

Множество методов масс-спектрометрии, ^[12] включая масс-спектрометрию тлеющего разряда и прямой анализ в режиме реального времени, основаны на ионизации Пеннинга.

Масс-спектрометрия тлеющего разряда — это прямое определение следовых элементов в твердых образцах. Она происходит с двумя механизмами ионизации: прямой ионизацией электронным ударом и ионизацией Пеннинга. Процессы, присущие тлеющему разряду, а именно катодное распыление в сочетании с ионизацией Пеннинга, дают ионную популяцию, из которой можно напрямую получить полуколичественные результаты. ^[13]

Смотрите также

• Химическая ионизация

Ссылки

1. Аранго, Калифорния; Шапиро, М.; Брумер, П. (2006). "Холодные атомные столкновения: когерентный контроль пеннинга и ассоциативной ионизации". Phys. Rev. Lett . 97 (19): 193202. arXiv : physics/0610131 . Bibcode :2006PhRvL..97s3202A. doi :10.1103/PhysRevLett.97.193202. PMID  17155624.
2. Хираока, К.; Фуруя, Х.; Камбара, С.; Сузуки, С.; Хашимото, И.; Такамидзава, А. (2006). «Ионизация алифатических углеводородов по Пеннингу при атмосферном давлении». Rapid Commun. Mass Spectrom . 20 (21): 3213–22. Bibcode : 2006RCMS...20.3213H. doi : 10.1002/rcm.2706. PMID  17016831.
3. Пеннинг, FM (1927). «Убер-ионизация durch метастабильного атома» [Об ионизации метастабильных атомов]. Die Naturwissenschaften (на немецком языке). 15 (40): 818. Бибкод : 1927NW.....15..818P. дои : 10.1007/bf01505431.
4. IUPAC , Compendium of Chemical Terminology , 2nd ed. («Золотая книга») (1997). Онлайн-исправленная версия: (2006–) «Penning gas mix». doi :10.1351/goldbook.P04476
5. Falcinelli, Stefano; Candori, Pietro; Bettoni, Marta; Pirani, Fernando; Vecchiocattivi, Franco (2014). «Пеннинговская ионизационная электронная спектроскопия сероводорода метастабильными атомами гелия и неона». Журнал физической химии A. 118 ( 33): 6501–6506. Bibcode : 2014JPCA..118.6501F. doi : 10.1021/jp5030312. PMID  24796487.
6. IUPAC , Compendium of Chemical Terminology , 2nd ed. («Золотая книга») (1997). Онлайн-исправленная версия: (2006–) «ассоциативная ионизация». doi :10.1351/goldbook.A00475
7. * Джонс, Д.М.; Далер, Дж.С. (апрель 1988 г.). «Теория ассоциативной ионизации». Physical Review A. 37 ( 8): 2916–2933. Bibcode : 1988PhRvA..37.2916J. doi : 10.1103/PhysRevA.37.2916. PMID  9900022.
8. Коэн, Джеймс С. (1976). «Многоуровневая модель пересечения кривых для рассеяния: ассоциативная ионизация и передача возбуждения в гелии». Physical Review A. 13 ( 1): 99–114. Bibcode : 1976PhRvA..13...99C. doi : 10.1103/PhysRevA.13.99.
9. Harada, Yoshiya (1990). "Пеннинговская ионизационная электронная спектроскопия органических молекул: стереохимия молекулярных орбиталей". Pure Appl. Chem . 62 (3): 457–462. doi : 10.1351/pac199062030457 .
10. Yoshihiro, Y.; Hideyasu, T.; Ryo, M.; Hideo, Y.; Fuminori, M.; Koichi, O. (200). «Высокочувствительный электронный спектрометр для столкновительной ионизации с перекрестным пучком: анализатор с магнитной бутылкой замедляющего типа и его применение в электронной спектроскопии ионизации Пеннинга с разрешением по энергии столкновения». Review of Scientific Instruments . 71 (3): 3042–49. Bibcode : 2000RScI...71.3042Y. doi : 10.1063/1.1305819.
11. Харада, Ёсия; Озаки, Хироюки (1987). «Пеннинговская ионизационная электронная спектроскопия: ее применение для характеристики поверхности органических твердых тел». Jpn. J. Appl. Phys . 26 (8): 1201–1214. Bibcode :1987JaJAP..26.1201H. doi : 10.1143/JJAP.26.1201 .
12. Гросс, Дж. Х. (2014). «Прямой анализ в реальном времени — критический обзор DART-MS». Anal Bioanal Chem . 406 : 63–80. doi :10.1007/s00216-013-7316-0. PMID  24036523.
13. King, FL; Teng, J.; Steiner, RE (1995). "Специальная статья: Учебное пособие. Масс-спектрометрия с тлеющим разрядом: Определение следов элементов в твердых образцах". Журнал масс-спектрометрии . 30 (8): 1060–1075. Bibcode :1995JMSp...30.1061K. CiteSeerX 10.1.1.549.6325 . doi :10.1002/jms.1190300802.