Ionización térmica

Proceso en el que los átomos se liberan de una superficie caliente y se ionizan.

La ionización térmica , también conocida como ionización de superficie o ionización de contacto , es un proceso físico mediante el cual los átomos se desorben de una superficie caliente y en el proceso se ionizan.

La ionización térmica se utiliza para crear fuentes de iones simples , para espectrometría de masas y para generar haces de iones . ^[1] La ionización térmica se ha utilizado ampliamente para determinar pesos atómicos, además de utilizarse en muchas aplicaciones geológicas y nucleares. ^[2]

Física

Efecto de ionización superficial en un átomo de cesio vaporizado a 1500 K, calculado utilizando un conjunto gran canónico . Eje Y: número promedio de electrones en el átomo; el átomo es neutro cuando tiene 55 electrones. Eje X: variable de energía (igual a la función de trabajo superficial ) dependiente del potencial químico electrónico μ y del potencial electrostático ϕ .

La probabilidad de ionización es una función de la temperatura del filamento, la función de trabajo del sustrato del filamento y la energía de ionización del elemento .

Esto se resume en la ecuación de Saha-Langmuir : ^[3]

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

dónde

${\displaystyle {\frac {n_{+}}{n_{0}}}}$= relación entre la densidad numérica iónica y la densidad numérica neutra

${\displaystyle {\frac {g_{+}}{g_{0}}}}$= relación de pesos estadísticos (degeneración) de estados iónicos ( g ₊ ) y neutros ( g _{0 )}

${\displaystyle W}$= función de trabajo de la superficie

${\displaystyle \Delta E_{\text{I}}}$= energía de ionización del elemento desorbido

${\displaystyle k}$= constante de Boltzmann

${\displaystyle T}$= temperatura de la superficie

La ionización negativa también puede ocurrir para elementos con una gran afinidad electrónica contra una superficie de función de trabajo baja. ${\displaystyle \Delta E_{\text{A}}}$

Espectrometría de masas por ionización térmica

Una aplicación de la ionización térmica es la espectrometría de masas por ionización térmica (TIMS). En la espectrometría de masas por ionización térmica, se coloca un material purificado químicamente sobre un filamento que luego se calienta a altas temperaturas para provocar que parte del material se ionice a medida que se desorbe térmicamente (se evapora) del filamento caliente. Los filamentos son generalmente piezas planas de metal de alrededor de 1 a 2 mm (0,039 a 0,079 pulgadas) de ancho, 0,1 mm (0,0039 pulgadas) de espesor, dobladas en forma de U invertida y unidas a dos contactos que suministran una corriente.

Este método se utiliza ampliamente en la datación radiométrica , donde la muestra se ioniza al vacío. Los iones que se producen en el filamento se concentran en un haz de iones y luego pasan a través de un campo magnético para separarlos por masa. Luego se pueden medir las abundancias relativas de los diferentes isótopos, lo que genera proporciones isotópicas.

Cuando se miden estas proporciones de isótopos mediante TIMS, se produce un fraccionamiento dependiente de la masa a medida que el filamento caliente emite especies. El fraccionamiento se produce debido a la excitación de la muestra y, por lo tanto, debe corregirse para obtener una medición precisa de la proporción de isótopos. ^[4]

El método TIMS tiene varias ventajas. Tiene un diseño sencillo, es menos costoso que otros espectrómetros de masas y produce emisiones de iones estables. Requiere una fuente de alimentación estable y es adecuado para especies con baja energía de ionización, como el estroncio y el plomo .

Las desventajas de este método se deben a la temperatura máxima que se alcanza en la ionización térmica. El filamento caliente alcanza una temperatura inferior a 2500 °C (2770 K; 4530 °F), lo que hace que no se puedan crear iones atómicos de especies con una energía de ionización elevada, como el osmio y el tungsteno . Aunque en este caso el método TIMS puede crear iones moleculares, las especies con una energía de ionización elevada se pueden analizar de forma más eficaz con MC-ICP-MS. ^{[ cita requerida ]}

Véase también

• Detector Langmuir-Taylor
• Irving Langmuir
• Meghnad Saha

Referencias

1. Alton, GD (1988). "Caracterización de una fuente de ionización superficial de cesio con un ionizador de tungsteno poroso. I" (PDF) . Review of Scientific Instruments . 59 (7): 1039–1044. Bibcode :1988RScI...59.1039A. doi :10.1063/1.1139776. ISSN  0034-6748.
2. Barshick, C; Duckworth, D; Smith, D (2000). Espectrometría de masas inorgánica: fundamentos y aplicaciones . Nueva York, NY [ua]: Dekker. p. 1. ISBN 9780824702434.
3. Dresser, MJ (enero de 1968). "La ecuación de Saha-Langmuir y su aplicación" (PDF) . Journal of Applied Physics . 39 (1): 338–339. Bibcode :1968JAP....39..338D. doi :10.1063/1.1655755 . Consultado el 11 de octubre de 2007 .
4. Dickin, AP, 2005. Radiogenic Isotope Geology 2.ª ed. Cambridge: Cambridge University Press. págs. 21-22