Termisk ionisering

Må ikke forveksles med Edison-Richardson-effekt.

Termisk ionisering, også kjent som overflateionisering eller kontaktionisering, er en fysisk prosess der atomene desorberes fra en varm overflate, og ioniseres i prosessen.

Termisk ionisering brukes til å lage enkle ionekilder, for massespektrometri og for å generere ionstråler.^[1] Termisk ionisering har vist omfattende bruk for å bestemme atomvekter, i tillegg til å bli brukt i mange geologiske/kjernefysiske applikasjoner.^[2]

Fysikk

Overflateioniseringseffekt i et fordampet cesiumatom ved 1500 K, beregnet ved hjelp av et storkanonisk ensemble. Y-akse: gjennomsnittlig antall elektroner på atomet; atomet er nøytralt når det har 55 elektroner. X-akse: energivariabel (lik overflatearbeidsfunksjonen) avhengig av elektron kjemisk potensial μ og elektrostatisk potensial ϕ.

Sannsynligheten for ionisering er en funksjon av filamenttemperaturen, arbeidsfunksjonen til filamentunderlaget og ioniseringsenergien til elementet.

Dette er oppsummert i Saha-Langmuir-ligningen:^[3]

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

hvor

${\displaystyle {\frac {n_{+}}{n_{0}}}}$ =forholdet mellom ionetalltetthet og nøytralt antall tetthet

${\displaystyle {\frac {g_{+}}{g_{0}}}}$ = forholdet mellom statistiske vekter (degenerasjon) av ioniske (g₊) og nøytrale (g₀) tilstander

${\displaystyle e}$ = elektronladning

${\displaystyle W}$ =arbeidsfunksjon av overflaten

${\displaystyle \Delta E_{I}}$ = ioniseringsenergi av desorbert element

${\displaystyle k}$ = Boltzmanns konstant

${\displaystyle T}$ =overflatetemperatur

Negativ ionisering kan også forekomme for elementer med stor elektronaffinitet. ${\displaystyle \Delta E_{A}}$mot en overflate med lav arbeidsfunksjon.

Termisk ionisering massespektrometri

En anvendelse av termisk ionisering er termisk ionisering massespektrometri (TIMS). I termisk ioniseringsmassespektrometri plasseres et kjemisk renset materiale på et filament som deretter oppvarmes til høye temperaturer for å få noe av materialet til å bli ionisert når det varmesorberes (kokes av) det varme filamentet. Filamenter er vanligvis flate metallstykker rundt 1–2 mm brede, 0,1 mm tykke, bøyd i en opp-ned U-form og festet til to kontakter som forsyner en strøm.

Denne metoden er mye brukt i radiometrisk datering, hvor prøven ioniseres under vakuum. Ionene som produseres ved filamentet fokuseres i en ionestråle og føres deretter gjennom et magnetfelt for å skille dem med masse. De relative overflodene av forskjellige isotoper kan deretter måles, noe som gir isotopforhold.

Når disse isotopforholdene måles ved TIMS, oppstår masseavhengig fraksjonering når specier sendes ut av det varme filamentet. Fraksjonering skjer på grunn av eksitasjon av prøven og må derfor korrigeres for nøyaktig måling av isotopforholdet.^[4]

Det er flere fordeler med TIMS-metoden. Den har en enkel design, er billigere enn andre massespektrometre og gir stabile ionutslipp. Det krever en stabil strømforsyning, og er egnet for specier med lav ioniseringsenergi, som strontium og bly.

Ulempene med denne metoden stammer fra den maksimale temperaturen som oppnås ved termisk ionisering. Det varme filamentet når en temperatur på mindre enn 2500 °C, noe som fører til manglende evne til å skape atomioner av specier med høy ioniseringsenergi, som osmium og wolfram. Selv om TIMS-metoden kan skape molekylære ioner i dette tilfellet, kan specier med høy ioniseringsenergi analyseres mer effektivt med MC-ICP-MS.

Referanser

1. Alton, G. D. (Juli 1988). «Characterization of a cesium surface ionization source with a porous tungsten ionizer. I». Review of Scientific Instruments. 7 (på engelsk). 59: 1039–1044. ISSN 0034-6748. doi:10.1063/1.1139776. Besøkt 19. mai 2021. 
2. Inorganic mass spectrometry : fundamentals and applications. New York: Marcel Dekker, Inc. 2000. s. 1. ISBN 0-8247-0243-3. OCLC 43114317. 
3. Dresser, M. J. (Januar 1968). «The Saha-Langmuir Equation and its Application» (PDF). Journal of Applied Physics. 39 (1): 338–339. Bibcode:1968JAP....39..338D. doi:10.1063/1.1655755. 
4. Dickin, A.P., 2005. Radiogenic Isotope Geology 2 utgave. Cambridge: Cambridge University Press. s. 21-22