التأين الحراري

التأين الحراري ، المعروف أيضًا باسم التأين السطحي أو التأين التلامسي ، هو عملية فيزيائية يتم من خلالها إزالة الذرات من سطح ساخن، وتتأين في هذه العملية.

يُستخدم التأين الحراري في صناعة مصادر أيونية بسيطة ، وفي قياس الطيف الكتلي ، وفي توليد حزم أيونية . ^{[ 1 ]} وقد استُخدم التأين الحراري على نطاق واسع في تحديد الأوزان الذرية، بالإضافة إلى استخدامه في العديد من التطبيقات الجيولوجية والنووية. ^{[ 2 ]}

إن احتمالية التأين هي دالة لدرجة حرارة الفتيل، ودالة الشغل لركيزة الفتيل، وطاقة تأين العنصر .

يتم تلخيص ذلك في معادلة ساها-لانغمير : ^{[ 3 ]}

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

أين

${\displaystyle {\frac {n_{+}}{n_{0}}}}$= نسبة كثافة عدد الأيونات إلى كثافة عدد الجزيئات المتعادلة

${\displaystyle {\frac {g_{+}}{g_{0}}}}$= نسبة الأوزان الإحصائية (الانحلال) للحالات الأيونية ( g ₊ ) والحالات المتعادلة ( g0 ₎

${\displaystyle W}$= دالة شغل السطح

${\displaystyle \Delta E_{\text{I}}}$= طاقة تأين العنصر الممتص

${\displaystyle k}$= ثابت بولتزمان

${\displaystyle T}$= درجة حرارة السطح

يمكن أن يحدث التأين السالب أيضًا للعناصر ذات الألفة الإلكترونية الكبيرة${\displaystyle \Delta E_{\text{A}}}$على سطح ذي دالة شغل منخفضة.

يُعدّ مطياف الكتلة بالتأين الحراري (TIMS) أحد تطبيقات التأين الحراري . في هذا النوع من المطياف، تُوضع مادة مُنقّاة كيميائيًا على سلك معدني ، ثم يُسخّن إلى درجات حرارة عالية لتأيين جزء منها أثناء تبخرها (انبعاثها) من السلك الساخن. عادةً ما تكون الأسلاك المعدنية مسطحة، بعرض يتراوح بين 1 و 2 مم (0.039-0.079 بوصة) وسُمك 0.1 مم (0.0039 بوصة) ، ومثنية على شكل حرف U مقلوب، وموصولة بقطبين لتزويدها بالتيار الكهربائي.    

تُستخدم هذه الطريقة على نطاق واسع في التأريخ الإشعاعي ، حيث تُؤيَّن العينة تحت الفراغ. تُركَّز الأيونات المُنتَجة عند الفتيل في حزمة أيونية، ثم تُمرَّر عبر مجال مغناطيسي لفصلها حسب الكتلة. بعد ذلك، يُمكن قياس الوفرة النسبية للنظائر المختلفة، مما يُعطي نسب النظائر.

عند قياس نسب النظائر هذه باستخدام مطياف الكتلة الحراري (TIMS)، يحدث تجزئة تعتمد على الكتلة نتيجة انبعاث الأنواع من السلك الساخن. تحدث التجزئة بسبب إثارة العينة، وبالتالي يجب تصحيحها للحصول على قياس دقيق لنسبة النظائر. ^{[ 4 ]}

تتميز طريقة TIMS بعدة مزايا، فهي بسيطة التصميم، وأقل تكلفة من أجهزة قياس الطيف الكتلي الأخرى، وتنتج انبعاثات أيونية مستقرة. كما أنها تتطلب مصدر طاقة مستقر، وتناسب المواد ذات طاقة التأين المنخفضة، مثل السترونتيوم والرصاص .

تكمن عيوب هذه الطريقة في درجة الحرارة القصوى التي يتم الوصول إليها في التأين الحراري. إذ تصل درجة حرارة السلك الساخن إلى أقل من 2500 درجة مئوية (2770 كلفن؛ 4530 درجة فهرنهايت) ، مما يؤدي إلى عدم القدرة على تكوين أيونات ذرية لعناصر ذات طاقة تأين عالية، مثل الأوزميوم والتنغستن . ورغم أن طريقة مطيافية الكتلة الحرارية (TIMS) قادرة على تكوين أيونات جزيئية في هذه الحالة، إلا أنه يمكن تحليل العناصر ذات طاقة التأين العالية بكفاءة أكبر باستخدام مطيافية الكتلة بالبلازما المقترنة حثيًا متعددة المراكز ( MC-ICP-MS ).   

• كاشف لانغمير-تايلور
• إيرفينغ لانغمير
• ميغناد ساها