ionización térmica

La ionización térmica , también conocida como ionización superficial o ionización por 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 fabricar fuentes de iones simples , para espectrometría de masas y para generar haces de iones . ^{[ 1 ]} La ionización térmica se ha utilizado ampliamente en la determinación de pesos atómicos, además de emplearse en numerosas aplicaciones geológicas y nucleares. ^{[ 2 ]}

La probabilidad de ionización es 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 de iones y la densidad numérica de neutros

${\displaystyle {\frac {g_{+}}{g_{0}}}}$= relación de pesos estadísticos (degeneración) de los estados iónicos ( g ₊ ) y neutros ( g0 ₎

${\displaystyle W}$= 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 superficial

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

Una aplicación de la ionización térmica es la espectrometría de masas por ionización térmica (TIMS). En este método, se coloca un material químicamente purificado sobre un filamento que se calienta a altas temperaturas para ionizar parte del material al desorberse térmicamente (evaporarse) del filamento caliente. Los filamentos suelen ser piezas planas de metal de aproximadamente 1-2 mm (0,039-0,079 pulgadas) de ancho y 0,1 mm (0,0039 pulgadas) de espesor, dobladas en forma de U invertida y conectadas a dos contactos que suministran corriente.    

Este método se utiliza ampliamente en la datación radiométrica , donde la muestra se ioniza al vacío. Los iones producidos en el filamento se concentran en un haz iónico y luego se hacen pasar a través de un campo magnético para separarlos por masa. Posteriormente, se pueden medir las abundancias relativas de los diferentes isótopos, obteniendo así las relaciones isotópicas.

Cuando estas relaciones isotópicas se miden 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 una medición precisa de la relación isotópica. ^{[ 4 ]}

El método TIMS presenta 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 derivan de la temperatura máxima alcanzada en la ionización térmica. El filamento caliente alcanza una temperatura inferior a 2500 °C (2770 K; 4530 °F) , lo que impide la creación de iones atómicos de especies con alta energía de ionización, como el osmio y el tungsteno . Si bien el método TIMS puede generar iones moleculares en este caso, las especies con alta energía de ionización se pueden analizar de forma más eficaz con MC-ICP-MS .   

• Detector de Langmuir-Taylor
• Irving Langmuir
• Meghnad Saha