Эффект Оже

Эффект Оже

Эффект Оже

Эффект Оже (автоионизация возбужденного атома) происходит в электронной оболочке атома и вызывает поглощение рентгеновских лучей.

Данное явление взаимосвязано с процессом перераспределения энергии внутри атома, который находится в состоянии возбуждения. Эффект Оже следует отличать от фотоионизации.

(Фотоионизация — явление непосредственного вылета электрона за пределы атома, при поглощении рентгеновского кванта.) Эффект Оже имеет две стадии:

  1. Рентгеновский квант поглощается. Происходит возбуждение атома. При этом электрон из $K$ — слоя освобождается и таким образом образуется дырка в соответствующем слое.
  2. Заполнение дырки $K$ — слоя электроном, который перескакивает из $L$ — слоя. В таком случае избыток энергии величиной:

    \[\triangle E=E_K-E_L(1)\]

выделяется в виде кванта характеристического излучения или ведет к испусканию электрона из верхних оболочек атома.

При этом дырка в $L$ — слое сохраняется и появляется дырка еще одна дырка в одном из слоев, находящихся выше. Получается, что атом становится ионизированным дважды. Выше описанный процесс носит название эффекта Оже. Испускаемый электрон, в таком процессе, называют электроном Оже.

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Оже обнаружил свой эффект, проводя фотографирование в камере Вильсона фотоэлектронов, которые освобождались рентгеновскими лучами из атомов тяжелых инертных газов (криптона).

Он увидел, что в части случаев в одной точке начинаются два электронных следа.

Один след оставлял электрон, который возникал в результате фотоионизации в $K$ — слое, другой след — электрон, который появлялся в результате перераспределения энергии внутри возбужденного атома (то есть в результате эффекта Оже).

Электроны Оже уносят существенную часть энергии атома, находящегося в возбуждении. Особенно сильным является эффект Оже тогда, когда переходы с излучением фотонов являются запрещенными (например, в $0-0$ переходах).

Энергия связи внутренних электронов в атоме очень велика. Так, что если электрон переходит во внешнюю незаполненную оболочку или удаляется из атома, то возбужденный атом становится механически неустойчивым относительно ионизации, которая сопровождается перестройкой электронной оболочки и возникновением устойчивого иона.

Но, так как взаимодействия между электронами малы в атоме, то вероятность такого перехода относительно невелика, поэтому продолжительность жизни возбужденного состояния малой считать нельзя.

Следовательно, ширина уровня является небольшой для того, чтобы имело смысл рассмотреть энергии атома с возбужденным внутренним электроном как дискретные уровни энергии квазистационарных состояний атома. Такие уровни называют рентгеновскими термами. Переходы между такими термами реализуются с испусканием атомом рентгеновских лучей.

Рентгеновские термы именуются указанием оболочки, из которой удален электрон, и в которой возникла дырка. Куда попал электрон, практически не отражается на энергии атома и поэтому несущественно.

Ширина рентгеновского терма определена суммарной вероятностью всех процессов перестройки электронной оболочки с заполнением возникшей дырки.

Если мы имеем дело с тяжелыми атомами, то в них основную роль играют переходы дырки из данной оболочки в более высокую, что означает переход электрона с более высоких в низкие состояния. Этот переход, называемый радиационным, сопровождается испусканием рентгеновского кванта.

Вероятность подобных переходов, и соответствующая часть ширины уровня быстро возрастает при увеличении номера атома в периодической системе.

Для легких атомов превалирующую роль в определении ширины уровня выполняют безызлучательные переходы. В них энергия, которая освобождается при заполнении дырки высоким электроном, используется для вырывания из атома другого внутреннего электрона. То есть для легких атомов более значимым является эффект Оже.

Замечание 1

Следует заметить, что энергия, которую получает Оже — электрон не зависит от энергии излучения, которое вызывает возбуждение. Она определена структурой энергоуровней атома. Спект Оже — электронов является дискретным.

В некотором смысле Оже эффект является внутренним фотоэлектрическим эффектом, но надо заметить, что в действительности фотон в атоме не появляется. В большинстве атомов эффект Оже конкурирует с рентгеновским излучением, но появляющиеся при этом электроны поглощаются в материале мишени, тогда как рентгеновское излучение проникает наружу и является регистрируемым.

Оже эффект лежит в основе Оже- электронной спектроскопии (AES — Auger Electron Spectroscopy). В ней состав исследуемого материала определяется по измерению энергетического распределения электронов, которые испускаются во время облучения пучком быстрых электронов. Глубина наблюдения составляет примерно $10-30$ ангстрем.

Определение атомов при помощи спектроскопии уровней остова основывается на величинах энергии связи электронов.

В спектроскопии, на Оже — эффекте энергия вылетающего электрона определена как разность энергии связи, которая снимает возбуждение атома в процессе перераспределения его электронных оболочек и испускании Оже — электронов, обладающих характеристическими энергиями. На рис.

1 изображены безызлучательные Оже процессы ликвидации возбуждения, в которых атом имеет две вакансии (дырки). На рис.1 Оже- переход $KL_1L_1$ отражает ситуацию: первоначальная дырка находится в $K$ — оболочке, она заполняется электроном с $L_1$ — оболочки, при этом одновременно другой $L_1$ — электрон выбрасывается из атома.

В том случае, если одна из дырок конечного состояния атома находится на той же самой оболочке, что и первичная вакансия (не в той же подоболочке), то такой переход называют переходом Костера — Кронига. Скорости переходов Костера — Кронига много больше, чем скорости нормальных переходов Оже и оказывают влияние на относительные интенсивности линий Оже.

Энергия вылетающего электрона равна: $E_e=E_K-E_{L_1}-E_{L_1}.$

Рисунок 1.

Электрон — электронные взаимодействия наиболее сильные между электронами, орбитали которых расположены ближе друк к другу. Самыми сильными Оже — переходами являются переходы типа $KLL$ и $LMM$. Оже- переходы, которые вовлекают отдаленные орбитали имеют энергетическую ширину в два раза больше, чем ширина валентой зоны.

Примеры задач

Пример 1

На рис.2(a,b) изображены схематически различные двухэлектронные процессы снятия возбуждения атома. Оже — переход и переход Костера — Кронига. Какой рисунок, какому переходу соответствует?

Рисунок 2.

Решение:

Рассмотрим рис.2 (а). Здесь изображен переход с первоначальной вакансии $2s$ в $L$ — оболочке. При этом электрон $M$ — оболочки ($M_1$ — электрон) заполняет $L$ — дырку, при этом другой электрон $M$ — оболочки ($M_1$ — электрон) вылетает из атома. На рис. 2(а) изображен ${L_1M}_1M_1$ Оже переход.

Рассмотрим рис. 2(b). Первоначально вакансия локализована на $L_1$ — оболочке. Она заполняется электроном той же оболочки, другой подоболочки $(L_2)$. На схеме изображен переход Костера — Кронига ($LLM$).

Ответ: Рис.2 (а) — Оже — переход, рис. 2(b) — переход Костера — Кронига.

Пример 2

Оже — электронная спектроскопия является поверхностно чувствительной методикой. Так, например, очень малые количества типичных загрязнений углерода, азота и кислорода с ее помощью легко обнаруживаются на поверхности твердого тела. Можно ли обнаружить водород в аналогичных условиях при помощи Оже- измерений?

Решение:

Оже измерения не помогут обнаружить водород на поверхности твердого тела, так как для проведения таких измерений необходимы три электрона.

Источник: https://spravochnick.ru/fizika/predmet_i_zadachi_atomnoy_fiziki/effekt_ozhe/

Оже-эффект — Автоматизированная Интернет-система формирования баз данных репродуктивных и формализованных описаний естественнонаучных и научно-технических эффектов

Эффект Оже

Межотраслевая Интернет-система поиска и синтеза физических принципов действия преобразователей энергии

Общий каталог эффектов

  • Естественнонаучные эффекты (ЕНЭ)

Оже-эффект

Эмиссия электрона из атома в результате безызлучательного перехода

Анимация

Описание

Оже-эффектэмиссия электрона из атома, происходящая в результате безызлучательного перехода при наличии в атоме вакансии на внутренней оболочке (электронная эмиссия — явление испускания электронов поверхностью твердого тела или жидкости). Эффект обнаружен П. Оже (P.V. Auger) в 1925 году.

Оже-процесс можно разделить на две стадии:

— ионизация атома внешним излучением (рентгеновским, быстрыми электронами, ионами) с образованием вакансии на одной из внутренних оболочек. Такое состояние атома неустойчиво

— заполнение вакансии электроном одного из вышележащих уровней энергии атома. Выделившаяся при этом энергия может быть испущена в виде кванта характеристичного рентгеновского излучения, но может быть передана третьему атомному электрону, который в результате вылетает из атома, т.е. происходит оже-эффект.

На рисунке 1 показана схема оже-эффекта для атома с полностью заполненными энергетическими уровнями и валентной зоной (валентная зона — энергетическая область разрешённых электронных состояний в твёрдом теле, заполненная валентными электронами, а валентные электроны — электроны внешней электронной оболочки атомов, которые могут участвовать в образовании химических связей, переходя с атомных на молекулярные орбитали). Энергия электронов в атоме отсчитывается от уровня Ферми (то же: энергия Ферми (EF) системы невзаимодействующих фермионов — это увеличение энергии основного состояния системы при добавлении одной частицы) EF; EV и EC – энергии потолка валентной зоны и дна зоны проводимости; j – работа выходы электрона. Первичный электрон с энергией EP создает вакансию на уровне EK атома. Образовавшаяся вакансия через время t ~ 10-14-10-16 c. заполняется электроном с какого-либо верхнего уровня (в примере на рисунка 1 – с уровня L1. Избыток энергии (Ek – EL1) может освободиться в виде характеристического рентгеновского излучения с энергией кванта hn = Ek – EL1.

Оже-процесс является альтернативным излучению фотона, избыточная энергия в этом случае передается третьему электрону, находящемуся, например, на уровне L2. Этот электрон испускается в вакуум с энергией: EA=EK-EL1-EL2-U(L1,L2)  (1) и регистрируется как оже-электрон.

Слагаемое U в формуле  учитывает, что в конечном состоянии атом оказывается дважды ионизованным в результате образования вакансий на уровнях L1 и L2. Оно учитывает увеличение энергии связи L2 -электрона, когда удален L1-электрон и L1-электрона при наличии вакансии на уровне L2.

Точное вычисление слагаемого U(L1,L2) затруднено, однако часто используют эмпирическое соотношение, достаточно хорошо согласующееся с экспериментальными результатами: U(L1,L2) = 1/2*(EL2z+1-EL2z+EL1z+1-EL2z)  (2), где Z – атомный номер элемента.

 Схема генерации Оже-электрона

Рис.1

Оже-переход, представленный на рисунке 1, обозначают как KL1L2. Первым записывается обозначение уровня, ионизованного первичным электроном, затем уровня, на котором образовалась вторичная вакансия, и далее уровня, с которого произошло испускание оже-электрона.

Электроны, участвующие в оже-процессе могут находиться и на одном и том же уровне, например, KL1L1, L1L2L2 и т. д. Если оже-электрон испускается из валентной зоны, то такой оже-процесс обозначается, например, как KL1V, KVV и т. д.

В первом случае в оже-процессе участвует один электрон из валентной зоны, во втором – два. Для оже-процесса необходимо наличие в атоме, по крайней мере трех электронов. Поэтому оже-эффект наблюдается у всех элементов, начиная с лития (Z = 3).

Для элементов, находящихся в начале периодической системы элементов (Z 70 – не превышает 10%. Для K-уровня мышьяка (Z = 33) вероятности выхода оже-электронов и испускания рентгеновских фотонов равны.
 

Ключевые слова

Разделы наук

Применение эффекта

Наиболее широко применимое использование оже-эффекта — это оже-спектроскопия – область электронной спектроскопии, в основе которого лежат измерения энергии и интенсивностей токов оже-электронов, а также анализ формы линий спектров оже-электронов, эмитированных атомами, молекулами и твердыми телами в результате оже-эфеккта. Энергия оже-электронов определяется природой испускающих атомов с окружающими, что приводит к небольшим изменениям энергии оже-электронов. Поэтому по оже-спектрам можно:

— определить элементарный состав приповерхностных слоев твердых тел;

— получать информацию о межатомных взаимодействиях;

— осуществлять химический анализ газа.

Оже-спектроскопия газов используется также для исследования механизма оже-эффекта, основных и возбужденных состояний дважды ионизированных атомов; различных эффектов, связанных с процессом начального возбуждения атома.

Анализ элементного состава производится путем сопоставления оже-спектров с табличными данными. Расположение пика в энергетическом спектре оже-электронов несет информацию о химической природе атомов, его амплитуда – об их концентрации.

Взаимодействия атома с его окружением проявляются в форме оже-пиков и их энергетических сдвигах.

Реализации эффекта

В оже-спектроскопии атомы возбуждают электронным, фотонным (рентгеновским) и ионным пучками, соответственно различают электронную (ЭОС), рентгеновскую (РОС) и ионную (ИОС) оже-спектроскопию. Регистрация оже-спектров производится с помощью оже-спектрометров, представленных на рисунке 1.

Блок-схема оже-спектрометра: 1 – источник первичных частиц (электронов, фотонов, ионов); 2 – исследуемый образец; 3 – ионная пушка для для прослойного распыления образца; 4 – энергетический анализатор электронов; 5 – система регистрации и обработки данных. Пунктиром обведена вакуумная часть прибора.

Рис.1.

Исследумый образец помещают в вакуумную (до 10 -11 мм рт.ст.)камеру и облучают электронными пучками первичных частиц, источниками которых служат электронная пушка, рентгеновская трубка и ионная пушка; они должны обеспечивать потоки частиц, интенсивность которых достаточна для эмиссии оже-электронов в количестве, надежно регистрируемом измерительной аппаратурой.

Электронные и ионные пучки легко фокусируются, их можно развернуть в растр по поверхности образца (сканирующиеоже-спектрометры), что позволяет изучать распределение по поверхности образца атомов различных химических элементов с высоким пространственным разрешением (~30 нм). Рентгеновский зонт имеет минимальный диаметр ~150 мкм, сканирующая РОС пока не используется.

Методами ЭОС и РОС осуществляют анализ для всех элементов переодической системы, за исключением Н и Не.

Метод ИОС обладает селективностью: определенные ионы способны возбуждать эмиссию оже-электронов лишь в атомах определенных элементов, что обусловлено механизмом обменной генерации вакансий во внутренних электронных оболочках атомов ионным пучком.

Поэтому применение метода ИОС целесообразно, когда необходимо регистрировать наличие на поверхности того или иного элемент, а не проводить полный анализ элементного состава поверхности.

Получение энергетического спектра:

Для обнаружения оже-электронов необходимо уметь выделять электроны, находящиеся в очень узком интервале энергий. В оже-спектроскопии чаще всего используют электростатические анализаторы, и в частности анализаторы типа «цилиндрическое зеркало». На рис. 2 приведено схематическое изображение такого анализатора, позволяющее понять принцип его действия.

Схематическое изображение энергоанализатора типа “цилиндрическое зеркало”: 1 – образец, 2 – внутренний цилиндр, 3 – внешний цилиндр, 4 – окна для входа и выхода электронов, 5 – коллектор, 6 – магнитный экран.

Рис.2.

Одновременно с этим показан образец 1, бомбардируемый ускоренными электронами, который в данном случае является источником вторичных электронов, в том числе и оже-электронов.Основными элементами анализатора служат два металлических коаксиальных цилиндра 2 и 3 с радиусами r1 и r2 .

Внутренний цилиндр обычно заземляют, а на внешний подается отрицательный (относительно земли) потенциал, который может быть изменен в достаточно широких пределах. Таким образом, между цилиндрами формируется анализирующее поле. Вторичные электроны через специальные входные окна во внутреннем цилиндре попадают в это поле и при своем движении отклоняются к оси цилиндра.

При некотором значении потенциала U на внешнем цилиндре только электроны с энергией Е проходят в выходные окна во внутреннем цилиндре и попадают на коллектор. Изменение потенциала U приведет к тому, что на коллекторе будут собираться электроны с другим значением энергии. Если осуществить медленную развертку напряжения между цилиндрами, то будет записан непрерывный спектр вторичных электронов.

Это сильно упрощенное описание принципа работы анализатора. На самом деле движение электронов происходит по достаточно сложным траекториям, а регистрируются электроны не с фиксированной энергией (даже при U = const), а в некотором интервале энергий, который определяется конструкцией анализатора, качеством его изготовления и другими факторами.

Этот интервал определяет энергетическое разрешение анализатора, то есть минимальное расстояние между двумя близко лежащими пиками в спектре, которые еще могут быть различимы.

На точность измерений энергий влияют внешние магнитные поля (в том числе и магнитное поле Земли). Это связано с тем, что легкие электроны сильно отклоняются даже в слабых магнитных полях. Для защиты от них используется специальный магнитный экран 6 (см. рис. 2).

Количественная оже-спектроскопия:

Основной задачей количественной ОЭС является определение концентраций атомов, входящих в состав многокомпонентных образцов. Понятно, что интенсивность оже-сигналов (ток электронов, появляющихся в результате оже-процесса АВС в атомах какого-либо сорта) и концентрация атомов взаимосвязаны.

Несколько слов следует сказать об абсолютной чувствительности метода ОЭС.

Если говорить о минимально регистрируемой объемной концентрации атомов (~10-19 см-3), то ОЭС по этому параметру сильно уступает другим методикам.

Главное преимущество оже-электронной спектроскопии заключается в другом — в возможности обнаружения малых примесей на поверхности (точнее, в слое толщиной ~0,5–1,0 нм).

Литература

1.Физическая энциклопедия / Гл. ред. А.М. Прохоров. — М.: Советская энциклопедия. 1988.

2.С.С. Еловиков, Оже-электронная спектроскопия, Соросовский образовательный журнал, 2001, т. 7, № 2, с. 82-88.

Источник: http://www.heuristic.su/effects/catalog/est/byId/description/899/index.html

ПОИСК

Эффект Оже
    Изучение функции ионизации различных атомов вблизи порога ионизации с применением приблизительно моноэнергетических электронов обнаруживает сложную структуру этой функции, обусловленную возбуждением различных атомных уровней.

Так, например, нерегулярный ход функции ионизации атомов цинка, кадмия и ртути, наблюдающийся на протяжении первых нескольких вольт за порогом ионизации, связывают с автоионизацией возбужденных атомов (эффект Оже), возникающих в результате возбуждения внутренних электронов [757]. Изломы на кривых функции ионизации для Ые2+, Аг2+, Кг + и Хе + (процессы еН-Ые= = Ке2+ -Ь Зе и т. д.

) интерпретируются как результат наложения прямолинейных участков, представляющих собой функции ионизации, отвечающие основному ( Р) и возбужденным ( /) и 5) состояниям указанных ионов [760].

Прямолинейный ход функции ионизации на протяжении первых нескольких вольт за порогом ионизации для единичного состояния образующегося иона виден, в частности, из того факта, что функция ионизации гелия, отвечающая процессу е + Не = Ие++2е, строго прямолинейна на протяжении целых восьми вольт. [c.

407]
    С взаимодействием конфигураций тесно связано еще одно инте-ресное явление — автоионизация или эффект Оже. Смещенные термы, соответствующие возбужденным состояниям исходного иона, расположены выше самой низкой границы ионизации атома. В принципе [c.185]

    Рассмотрим теперь случай, когда избыток энергии (Ау — еУ) фотона сравнительно мал.

Как перераспределяются электроны, в атоме после удаления внутреннего электрона Следует ожидать, что освободившееся место на внутренней оболочке будет быстро заполнено электроном с более высокого уровня. Этот переход сопровождается испусканием кванта. Время жизни таких возбужденных состояний порядка 10 сек. В с.

лучае атома аргона переход электрона с Ь- на Д -оболочку сопровождается испусканием кванта с энергией 2,95 кэв, который может быть поглощен тем же атомом. В результате поглощения с 1-оболочки могут быть удалены один или несколько электронов. Такой процесс ионизации называется эффектом Оже . На фотоснимках, сделанных в камере Вильсона, наблюдалось более 4—5 оже-электронов на атом. Аналогичный эффект (автоионизация, 3, а) имеет место и в области атомного спектра. [c.85]

    Этот вопрос был рассмотрен Венцелем 1). За исключе- ф г. 55. Автоионизация, нием общей формулировки и некоторых качественных или эффект Оже, обсуждений, основанных на применении правил отбора, на А -уровне. [c.357]

    Явление автоионизации родственно оже-эффекту, а в [20] они рассматриваются вообще как идентичные. Однако в оже-эффекте внутренний электрон удаляется полностью, в то время как при автоионизации он только переходит на уровень с более высокой энергией.

Таким образом, оже-эффект возникает всегда, когда энергия падающего излучения выше энергии связи внутреннего электрона, а автоионизация может иметь место только, если квант hv бомбардирующего фотона равен разности энергий основного и некоторого возбужденного состояния нейтральной молекулы, при этом ( бывший ) внутренний электрон занимает одну из внешних оболочек. Прайс [21] описывает автоионизацию как процесс, в котором возбужденный внутренний электрон отдает энергию менее сильно связанному электрону, выбивая его, таким образом, как бы способом внутренней бомбардировки . Это определение указывает на отличие [c.61]

    Приведем одно из следствий этого эффекта если энергия падающего фотона близка к той, которая необходима для автоионизации, то ФЭ-полосы оказываются значительно интенсивнее и имеют более богатую тонкую структуру, чем при простой первичной фотоионизации. Так, полосы кислорода в окрестностях 13 и 16,5 эВ значительно ярче выражены в спектре, генерированном Не (16,9эВ),чем-Не (21, эВ), так как кислород имеет возбужденное молекулярное состояние с энергией приблизительно на 17 эВ выше основного состояния [21]. Водород и дейтерий, не имеющие подходящих для автоионизации уровней при 17 эВ, не дают на спектрах этого эффекта. Автоионизацией объясняется появление некоторых ложных линий в ФЭ-спектре воды [22] и некоторые интересные эффекты в спектрах ряда простых молекул. [c.62]

    Как уже отмечалось в предыдущих главах, электронная бомбардировка может привести к выбросу собственных электронов атомов или молекул, с которыми произошло соударение, либо в процессе непосредственной ионизации, либо в процессах автоионизации или оже-эффекта.

Однако в других случаях первичные электроны сообщают бомбардируемым молекулам энергию, достаточную лишь для возбуждения связанного электрона на более высокий энергетический уровень, но не для его полного удаления из атома.

При этом первичный электрон будет рассеиваться с уменьшенной (по сравнению с первоначальной) [c.165]

    Применение этой формулы к сложным ионам с дополнительным учетом эффектов автоионизации рассматривается в [64]. [c.318]

    Правильный путь к объяснению этого явления был указан Кронигом и Костером, которые обратили внимание на существенную роль эффекта Оже (см. гл. XV, раздел 3) в объяснении природы сателлитов.

Они обратили внимание на то, что в однажды ионизованном атоме может происходить автоионизация (эффект Оже), если энергия ионизации его оказывается меньшей, чем энергия перехода одного из электронов на освободившееся место.

Обзор состояния вопроса о происхождении сателлитов и полную библиографию читатель найдет в статье F. Hirsh, Jr., Rev. Mod. Phys. 14, 45 (1942). (Прим. ред.) [c.319]

    Эффект Оже — это явление автоионизации атома, находящегося в возбужденном состоянии, связанном с внутренним перераспределением энергии возбуждения. В отличие от обычной фотоионизации (см. гл.

VIII), когда поглощение фотона приводит непосредственно к вылету электрона из атома, эффект Оже происходит в две стадии. На первой стадии поглощение рентгеновского кванта приводит к возбуждению атома, причем освобождается электрон из К-оболочки.

На второй стадии электрон перескакивает в К-вакансию из менее связанной оболочки (например, -оболочки) при этом избыток энергии (е — е ) либо приводит к испусканию рентгеновского кванта, либо обусловливает вылет из атома одного из электронов верхних оболочек.

Второй вариант и соответствует эффекту Оже. Отметим, что возбуждать атом можно не только рентгеновскими квантами, но и быстрыми электронами, а также другими частицами. [c.447]

    Распад метастабильных состояний лежит в основе целого ряда явлений, К ним относятся, в частности, Ограспад (см. Радиоактивность), колебат. и вращат. предиссоциацил, автоионизация атомов в сильном электрич. поле, ионизация атомов и молекул в сильном электромагн, поле.

Туннельное прохождение электронов из одного проводника (или полупроводника) в другой через слой изолятора (туннельный ток) является макроскопич. эффектом, обусловленным Т, э. Это явление лежит в основе туннельной сканирующей микроскопии твердых тел. [c.

18]

    Потенциалы ионизации, определяемые методом разности задерживающих потенциалов , дают результаты, значительно более близкие к данным, рассчитанным на основании спектроскопических величин, по сравнению с методами, не применяющими моноэнергетические электроны.

Это особенно типично для таких молекул, как бензол [633, 965, 1450, 1451], в котором имеются возбужденные состояния иона, близкие к основному [676, 1452]. Тем не менее остается еще ряд проблем, неразрешенных и этим методом [1485], в частности эффективное распределение энергии электронов 0,1 эв неадекватно для всех изучаемых молекул.

Не представляется также возможным каждый участок ионизационной кривой приписать отдельному процессу ионизации. Было показано [1835], что в процессах ионизации широко происходит автоионизация. Возможно, что атом при возбуждении двух электронов, будет содержать более чем достаточно энергии для ионизации путем удаления одного из электронов.

Такой атом, возбужденный до дискретного энергетического уровня выше первого потенциала ионизации и в области сплошного спектра, характеризуется теми же квантовыми числами и четностью он может участвовать в переходах без излучения в состояния, где он существует как ион и как электрон.

Этот эффект иногда называется эффектом Аугера, по аналогии с явлениями, наблюдаемыми для рентгеновских лучей. [c.481]

    Может случиться, что конфигурация, в которой возбуждены два электрона, причем каждый из них находится на дискретном уровне исходной одноэлектронной задачи, образует энергетические уровни, лежащие выше наименьшей энергии ионизации атома, т. е. в области непрерывного спектра.

Если между этими состояниями и конфигурациями, относящимися к непрерывному спектру, нет взаимодействия, то эти уровни не выделяются никакими специальными свойствами, связанными с их расположением в области непрерывного спектра.

Если же, однако, такое взаимодействие имеется, то -функция этого квази-дискретного уровня становится связанной с -функциями близлежащих уровней непрерывного спектра. Вследствие этого состояние приобретает частично характер состояний непрерывного спектра.

Наиболее важной чертой состояний непрерывного спектра является их неустойчивость в том смысле, что один из электронов движется по орбите, простирающейся до бесконечности. Таким образом, в результате взаимодействия с ними дискрехный уровень приобретает в некоторой степени свойство спонтанной ионизации, т.

е. возможность удаления одного из электронов на бесконечность. Это свойство называется автоионизацией (или эффектом Оже). [c.356]

    Непосредственный спектросквпический эффект, связанный с автоионизацией, состоит в уширении линий, вызванных переходами из начальных состояний, обладающих этим свойством, и изменении интенсивности этих линий с изменением концентрации свободных электронов в источнике. Существуют два математически эквивалентных способа рассмотрения расширения этих линий. [c.356]

    На важность автоионизации для атомных спектров в оптической области обратили внимание Шенстон и Майорана 1). Шенстон обсудил эффект как в общем виде, так в частности и в связи со спектром Н I. Между прочим, он показал, что этот эффект содержит объяснение ультраионизационных потенциалов, обнаруженных Лоуренсом 2). [c.358]

    Аллен изучил также изменения относительной интенсивности линий, происходящих из терма D, с изменением тока в дуге. В этих опытах дуга горела при атмосферном давлении.

Было найдено, что линии, происходящие из нестабильных уровней квартета, очень чувствительны к величине тока в дуге, причем их относительная интенсивность стремится к нулю при токах около 1А и к постоянному значению при токах выше 12 А.

Эти интенсивности измерялись по отношению к другим линиям спектра, причем дополнительные опыты показали, что линии, не подверженные автоионизации при изменении тока в дуге, сохраняют постоянную относительную интенсивность.

Поэтому представляется правдоподобным, что этот эффект связан с тем фактом, что атомы уходят из нестабильных состояний посредством автоионизации, прежде чем они излучат. Но при высокой концентрации свободных электронов вокруг ионов входит в игру обратный процесс, в котором свободные электроны захватываются ионом. Это может компенсировать эффект автоионизации и увеличивает интенсивносгь линий из нестабильного уровня. Этот взгляд не был подвергнут количественному рассмотрению. [c.360]

    Эффекты автоионизации, наблюденные в спектрах щелочно-земельных металлов и инертных газов, как показал Уайт ), содержат дальнейшие примеры действия правил отбора. Бейтлер нашел большую серию поглощения в парах Hg, отвечающую переходам 5uil 6s -> 5dQ Pj.

Все эти линии расширены вследствие автоионизации, и опыты показали, что величина расширения убывает вдоль серии, показывая, что термы вблизи границы ионизации более нестабильны, чем термы подобного же характера при более высоких энергиях. [c.

360]

    Теория конфигурационного взаимодействия Фано. В одноэлектронном приближении каждое электронное состояние молекулы может быть охарактеризовано определенной конфигурацией электронов. Реальные состояния могут представлять собой суперпозицию, смесь различных конфигураций одной симметрии.

Качественно эффект смешения проявляется в отталкивании уровней, увеличении интервала между уровнями, полученными в одноэлектронном приближении.

В теории Фано рассматривается взаимодействие конфигураций дискретного спектра с конфигурациями сплошного спектра — смесь описывает явление автоионизации или автоотщепления электрона (в случае резонанса при взаимодействии атомной или молекулярной системы с электроном). [c.11]

    Процессы, ответственные за появление изображающих частиц, таковы в электронном режиме — авто-электронная эмиссия — разновид-ностьхолоднойэмиссии,во аник ающа я под влиянием сильного (10 в см) внешнего электрического поля, и в ионном режиме — автоионизация газа — освобождение одного или нескольких наиболее слабо связанных в атоме (или молекуле) электронов за счет туннельного эффекта в сверхсиль-ном электрическом поле ( 10 е/сл ). Соответственно эмиттер в электронном режиме работает с вакууме тем стабильнее, чем вьш1е вакуум, а в ионном режиме — в разреженном газе (его называют изображающим или рабочим ) при давлении р 10 мм рт. ст. на грани зажигания тлеющего разряда, поскольку, чем выше р, тем ярче, изображение в ионном проекторе. Типичные рабочие газы гелий, водород, неон, аргон. Острия с весьма тонкими концами необходимы для создания сильных полей Е за счет умеренно высоких напряжений V. Обычно радиус закругления кончика острия г для электронных проекторов составляет 10- —10″ см, для ионных — 10 —10″ см. При таких г и расстояниях от острия до анода 1 — [c.151]

Источник: https://www.chem21.info/info/581712/

ОЖЕ-СПЕКТРОСКОПИЯ

Эффект Оже

АБВГДЕЖЗИКЛМНОПРСТУФХЦЧШЩЭЮЯ

ОЖЕ-СПЕКТРОСКОПИЯ электронная (ЭОС), раздел спектроскопии, изучающий энергетич. спектры оже-электро-нов, к-рые возникают при облучении исследуемого в-ва электронным пучком. ЭОС широко используется для определения элементного состава газов и пов-сти твердых тел, для изучения электронного строения и хим. состояния атомов в пробе.

Оже-эффект заключается в следующем. Под действием ионизирующего излучения на одном из внутр. электронных уровней (напр., К-уровне) атома образуется вакансия, на к-рую переходит электрон с более высокого уровня (напр., L3-подуровня). Возникший при переходе электрона избыток энергии может привести к испусканию рентгеновского фотона (излучат.

переход) или к выбрасыванию еще одного электрона, напр. с подуровня L1 (безызлучат. переход). Этот электрон называют оже-электроном, а его кинетич. энергия Е определяется ур-нием: Е = Ек — EL1 — EL3 , где Ек, EL1 и EL3-энергии связи электронов на уровнях К, L1, и L3 соотв. (с учетом влияния ионизации атома). Рассмотренный оже-переход обозначается KL1L3.

Существуют и др. переходы, напр. типа LMM, MNN, KLM. Оже-эффект наблюдается у всех элементов периодич. системы, начиная с Li, причем его вероятность для легких элементов достигает 0,99 и убывает с увеличением порядкового номера. В твердом теле наряду с переходами между внутр. уровнями атома наблюдаются переходы (типа LMV, LVV и т.д.

) с участием электронов валентной зоны.

Спектры оже-электронов регистрируют с помощью оже-спектрометров, к-рые состоят из источника ионизирующего излучения, камеры для размещения исследуемых образцов, энергоанализатора и детектора электронов. В качестве ионизирующего излучения используют электронные пучки с энергией от 3 до 10 кэВ, а в приборах с пространств.

разрешением менее 0,1 мкм-с энергией выше 10 кэВ. Для измерения кинетич. энергии электронов применяют дисперсионные электростатич. энергоанализаторы (с цилиндрич. или полусферич. электродами), к-рые обеспечивают высокое энергетич. разрешение (DE/E)·100 ~ 0,05%.

Для детектирования электронов служат электронные умножители (в частности, каналтроны), имеющие высокую эффективность счета низкоэнергетич. электронов при малом уровне фона. Оже-спектрометры дают возможность получать энергетич. спектры в виде зависимостей N(E)-E и [dN(E)/dE]-E (рис.

1), где N(E)- выход (или интенсивность тока) оже-электронов, равный числу оже-электронов, испускаемых исследуемым объектом в единицу времени.

По спектрам оже-электронов можно проводить качеств. и количеств. элементный анализ пробы. Для этого пользуются спектрами в координатах [dN(E)/dE]-E, к-рые обеспечивают более высокую чувствительность и точность анализа. Элемент, присутствующий в пробе, идентифицируют по значению кинетич.

энергии Е оже-электронов, поскольку эта величина зависит только от энергии связи электронов на электронных уровнях, и, следовательно, определяется природой атомов. Кроме того, форма оже-пиков в спектре чувствительна к хим. состоянию атомов, что наиб.

четко проявляется в случае переходов с участием электронов валентной зоны (рис. 2).

Концентрацию элемента в пробе можно оценить по интенсивности его пика в оже-спектре. Для этого обычно применяют метод внеш. стандарта (эталона) или безэталонный метод.

В первом случае интенсивность Ii пика i-го элемента в оже-спектре пробы сравнивают с интенсивностью Ii, соответствующего пика в оже-спектре стандартного образца или с интенсивностью пика оже-спектра чистого серебра.

Концентрацию Ci i-ro элемента рассчитывают по ф-лам: или соотв., где ai,Ag-фактор элементной чувствительности; ai,Ag =. В безэталон ном методе расчет ведут по ф-ле:

,где Ij-интенсивность пика j-го элемента в оже-спектре пробы (ji). Погрешность анализа рассмотренными методами составляет 10-15%, а чувствительность при определении разл. элементов варьирует от 0,01 до 1 ат. %.

Толщина анализируемого слоя пов-сти твердого тела определяется глубиной выхода оже-электронов, к-рая зависит от их энергии и, напр., для разных металлов составляет 0,5-2,0 нм. В связи с малой глубиной выхода оже-электронов, загрязнение исследуемой пов-сти адсорбир. атомами вносит существ. погрешность в результаты анализа. Поэтому в спектрометрах создают глубокий вакуум (10-6-10-8 Па).

Кроме того, оже-спектрометры снабжают ионными пушками (источниками ионов инертных газов), к-рые используют для очистки исследуемой пов-сти и проведения послойного анализа. Оже-спектрометры для анализа газов имеют вакуумную систему, к-рая обеспечивает одновременно относительно высокое давление (1-10 Па) исследуемого газа в камере образцов и низкое давление (~10-6Па) в измерит. камере.

Оже-эффект открыл П. Оже в 1923; для аналит. целей впервые его использовал Дж. Ландер в 1953.

Лит.: Карлсон Т., Фотоэлектронная и оже-спектроскопия, пер. с англ., Л., 1981; Электронная и ионная спектроскопия твердых тел, пер. с англ., под ред. В. И. Раховского, М., 1981. B.C. Сергеев.

АБВГДЕЖЗИКЛМНОПРСТУФХЦЧШЩЭЮЯ

Источник: http://www.xumuk.ru/encyklopedia/2/3004.html

Курсовая работа: Эффект Оже. Оже–спектроскопия

Эффект Оже

Для исследования твердых тел используется множество различных методов, позволяющих получать исчерпывающую информацию о химическом составе, кристаллической структуре, распределении примесей и многих других свойствах, представляющих как чисто научный, так и практический интерес.

В настоящее время особое значение придается методам анализа поверхности (под поверхностью подразумевается граница раздела фаз). Когда говорят о поверхности твердого тела, то чаще всего имеется в виду граница раздела между газообразной и твердой фазами.

Столь пристальное внимание к поверхности связано с ее уникальными свойствами, которые, с одной стороны, в сильной степени влияют на характеристики самого твердого тела, а с другой — могут быть использованы для создания приборов и устройств нового поколения.

В подавляющем большинстве методов анализа поверхности используются различного рода явления, происходящие при воздействии на нее корпускулярных частиц и электромагнитных излучений.

Если такого рода воздействия приводят, например, к испусканию электронов, а информацию о свойствах поверхности получают при анализе электронных спектров, то говорят о методах электронной спектроскопии.

В отличие от других частиц электроны не изменяют состава остаточной атмосферы сверхвысоковакуумных камер, в которых проводятся исследования, легко регистрируются и поддаются счету. Последнее обстоятельство позволяет достаточно просто проводить количественный анализ поверхности, то есть получать, например, данные о концентрациях атомов различных элементов.

Среди всех электронно-спектроскопических методик особое место занимает оже-электронная спектроскопия (ОЭС), которая, пожалуй, является самой распространенной методикой.

Эффект Оже

Эффект, на котором основана ОЭС, был открыт в 1925 году французским физиком Пьером Оже (P. Auger) (отсюда и название метода). Суть его состоит в следующем.

Оже-процесс можно разделить на две стадии. Первая – ионизация атомф внешним излучением (рентгеновским, быстрыми электронами, ионами) с образованием вакансии на одной из внутренних оболочек.

Такое состояние атома неустойчиво, и на второй стадии происходит заполнение вакансии электроном одной из вышележащих уровней энергии атома.

Выделяющаяся при этом энергия может быть испущена в виде кванта характеристического рентгеновского излучения, но может быть передана третьему атомному электрону, который в результате вылетает из атома, т. е. наблюдается оже- эффект.

На рис. 1 показан фрагмент электронной структуры атома, в состав которого входят три электронных уровня, частично или полностью занятые электронами (на рис. 1 они обозначены как К, L1 , L2 ).

Если атом обстреливается ускоренными электронами е, энергия которых выше потенциала ионизации уровня К, то существует вероятность ионизации этого уровня, в результате чего на нем образуется вакансия (обозначена светлым кружком).

Такое состояние энергетически невыгодно для атома, поэтому через некоторое время вакансия заполняется за счет перехода электрона с вышележащего уровня L1 (переход обозначен стрелкой 1). При этом выделяется энергия, равная разности энергий связи электрона на уровнях К и L1 .

В дальнейшем процесс может идти двумя путями: либо будет испущен рентгеновский фотон, либо эта энергия безызлучательным способом будет передана другому электрону, находящемуся, например, на уровне L2 . Если этой энергии будет достаточно, то произойдет ионизация уровня L2 , в результате чего будет испущен электрон (стрелка 2 на рис. 1). Реализация второй возможности и есть собственно оже-процесс, а эмитируемый электрон называют оже-электроном.

Оказывается, что, измерив энергию такого электрона, можно определить, какому элементу Периодической таблицы Менделеева соответствуют обстреливаемые электронным пучком атомы. Такая возможность объясняется тем, что энергия оже-электронов не зависит от энергии бомбардирующих электронов, а определяется только электронной структурой атомов, которая хорошо известна.

Рис. 1. Схематическое изображение оже-процесса в атоме.

Значения кинетической энергии вылетающих электронов не зависит от энергии частиц внешнего излучения. Значения характерны для атомов определенного химического элемента и равны разности энергий возбужденных состояний атома:

,

где — энергия ионизированного атома с вакансией на внутренней оболочке, — энергия атома после заполнения вакансии одним из электронов атома, — пороговая энергия вылета оже-электронов из однократно ионизированного атома. Значения для различных атомов и различных квантовых переходов в них лежат в пределах от 50 до 3000 эВ.

Вследствие конечности времени жизни возбужденного состояния атома, ионизированного на первой стадии, существует разброс значений кинетической энергии оже-электронов:

.

Если обозначить оже-процесс обычным образом через последовательность уровней, принимающих в нем участие, , то в первом приближении энергия оже-электронов определяется формулой

, (1)

где , и – энергии связи электронов на уровнях .

При более строгом подходе для энергии оже-электронов вводят поправку , связанную с тем, что после оже-процесса в атоме образуются две дырки. Существуют различные способы определения .

Самым простым является способ, при котором наличие дырок учитывается привлечением данных для соседнего элемента с более высоким атомным номером.

Тогда в общем случае для любого оже-процесса , происходящего в атоме с порядковым номером , можно записать

, (2)

где через ,В и С по-прежнему обозначены уровни, участвующие в процессе.

В твердых телах наличие двух дырок приводит к перераспределению зарядов и возникающая при этом поляризация увеличивает энергию эмитируемых электронов по сравнению со свободными атомами. Этот сдвиг в некоторых случаях может достигать 10-20 эВ.

В оже-процессе с той или иной вероятностью могут принять участие электроны различных атомных оболочек, поэтому энергетический спектр вылетающих из атома оже-электронов (оже-спектр) содержит до нескольких десятков перекрывающихся между собой оже-линий.

Оже-эффект происходит не только в изолированных атомах, но и в молекулах (число оже-линий значительно возрастает), а также в твердых телах.

В последнем случае наряду с переходами между внутренними уровнями энергии наблюдаются переходы с участием электронов валентной зоны, причем ширина зоны и плотность состояний в ней влияют на форму оже-линий.

Изучение энергетической структуры и осуществление химического анализа вещества — предмет оже-спектроскопии.

Для обозначения оже-переходов применяют правило: если первичная вакансия находилась в электронном К -слое, ее заполнение произошло путем путем перехода электрона из L -слоя, а энергия была передана электрону M -слоя, то оже-электрон называется KLM -электроном (так же обозначают и соответствующий переход и оже-линию в спектре). Переходы с участием электронов валентной зоны обозначают буквой V (например, переход LVV ).

Особый случай оже-эффекта представляет собой процесс, при котором вакансия заполняется электроном того же электронного слоя (т. е. электроном с тем же главным квантовым числом). Такие переходы (например, ) называются переходами Костера-Кронига.

В ядерной физике эффект, аналогичный оже-эффекту, когда энергия передается одному из атомных электронов, носит название внутренней конверсии. В отличие от оже-электронов (50 — 3000 эВ), кинетическая энергия конверсионных электронов составляет несколько МэВ.

Глубина выхода оже-электронов

Главным преимуществом ОЭС по сравнению с многими другими методами является очень малая глубина анализа, что делает эту методику пригодной для исследования поверхности. В свою очередь, глубина анализа определяется длиной свободного пробега электронов в твердом теле в смысле неупругих взаимодействий. Понятно, почему это так.

Если зародившийся в твердом теле оже-электрон при движении к поверхности испытает хоть одно неупругое взаимодействие (например, совершит ионизацию атома), то он потеряет часть энергии и не будет зарегистрирован в интересующем нас месте энергетического спектра вторичных электронов, который формируется при бомбардировке твердого тела ускоренными электронами. То есть оже-электроны, рожденные на глубине большей, чем длина свободного пробега, не будут нести информацию о нахождении атомов данного сорта. Длина свободного пробега в сильной степени зависит от скорости движения, а следовательно, и от энергии электронов. Обычно исследуются оже-электроны с энергиями от нескольких десятков электронвольт до нескольких килоэлектронвольт. Во всех материалах длина свободного пробега (а следовательно, и глубина анализа) таких электронов не превышает 2-3 нм, то есть величины, сопоставимой с периодом кристаллической решетки твердого тела. При этом львиная доля информации поступает с глубины 0,5-1,0 нм, что и делает ОЭС уникальным методом исследования поверхности.

Оже-спектроскопия

Оже-спектроскопия – область электронной спектроскопии, в основе которого лежат измерения энергии и интенсивностей токов оже-электронов, а так же анализ формы линий спектров оже-электронов, эмитированных атомами, молекулами и твердыми телами в результате оже-эфеккта.

Энергия оже-электронов определяется природой испускающих атомов с окружающими, что приводит к небольшим изменениям энергии оже-электронов. Поэтому по оже-спектрам можно определить элементарный состав приповерхностных слоев твердых тел, получать информацию о межатомных взаимодействиях, осуществлять химический анализ газа.

Оже-спектроскопия газов используется так же для исследования механизма оже-эффекта, основных и возбужденных состояний дважды ионизированных атомов, различных эффектов, связанных с процессом начального возбуждения атома. Анализ элементного состава производится путем сопоставления оже-спектров с табличными данными.

Расположение пика в энергетическом спектре оже-электронов несет информацию о химической природе атомов, его амплитуда – об их концентрации. Взаимодействия атома с его окружением проявляются в форме оже-пиков и их энергетических сдвигах.

Реализация метода

Регистрация оже-электронов

Если оже-эффект был открыт в 1925 году, то первые приборы, в которых он был использован для исследования поверхности, появились лишь в 60-х годах XX века.

Для того чтобы объяснить такую большую задержку во времени, нам придется узнать, что представляет собой спектр вторичных электронов, образующихся при бомбардировке твердого тела ускоренными электронами.

Оказывается, что в области энергий, в которой находятся оже-электроны, существует большое количество неупругорассеянных первичных электронов, которые образуют сплошной спектр, являющийся фоном, на котором приходится выделять оже-электроны.

Ток неупругорассеянных электронов на несколько порядков превышает ток оже-электронов, поэтому возникает обычная труднорешаемая задача выделения полезного сигнала на уровне большого фона. Эта задача впервые была решена в 1962 году Л.А. Харрисом, после чего начался период бурного развития оже-электронной спектроскопии.

—>ЧИТАТЬ ПОЛНОСТЬЮ

Источник: https://cwetochki.ru/ref-kursovaia-rabota-effekt-ozhe-ozhe-spektroskopiia.html

Booksm
Добавить комментарий