Эффект Оже

Эффект Оже

ОЖЕ-ЭФФЕКТ – эмиссия электрона из атома, происходящая в результате безызлучательного перехода при наличии в атоме вакансии на внутренней электронной оболочке. Эфект обнаружен П. Оже (P. V. Auger) в 1925 г.

Оже-процесс  можно разделить на две стадии. Первая – ионизация атома 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 зависят 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:

ΔE_k=ћ/τ~1-10 эВ.

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 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.

(a) электрон (или фотон)  создает вакансию на уровне 1s и электрон из уровня 2s заполняет  вакансию, при этом энергия передается на электрон 2p, который и «выбивается», в итоге образуются две вакансии на орбиталях 2s и 2p. (b) показан тот же процесс с помощью спектроскопической нотации, KL1L2,3