Ionización de Penning

La ionización de Penning es una forma de quimioionización , un proceso de ionización que implica reacciones entre átomos o moléculas neutrales. ^{[1] [2]} El efecto Penning se utiliza en la práctica en aplicaciones como lámparas de neón de descarga de gas y lámparas fluorescentes , donde la lámpara se llena con una mezcla de Penning para mejorar las características eléctricas de las lámparas.

El proceso recibe su nombre del físico holandés Frans Michel Penning, que lo informó por primera vez en 1927. Penning comenzó a trabajar en el Philips Natuurkundig Laboratorium en Eindhoven para continuar la investigación de la descarga eléctrica en gases nobles. Más tarde, comenzó a realizar mediciones sobre la liberación de electrones de superficies metálicas por iones positivos y átomos metaestables, y especialmente sobre los efectos relacionados con la ionización por átomos metaestables. ^[3]

La ionización de Penning se refiere a la interacción entre un átomo en fase gaseosa excitado electrónicamente G ^* y una molécula objetivo M. La colisión da como resultado la ionización de la molécula, lo que produce un catión M ⁺ , un electrón e− ^y una molécula de gas neutra, G, en el estado fundamental. ^[4] La ionización de Penning se produce mediante la formación de un complejo de colisión de alta energía, que evoluciona hacia la formación de una especie catiónica, al expulsar un electrón de alta energía. ^[5]

${\displaystyle {\ce {{G^{\ast }}+M->{M^{+\bullet }}+{e^{-}}+G}}}$

La ionización de Penning ocurre cuando la molécula objetivo tiene un potencial de ionización menor que la energía excitada del átomo o molécula en estado excitado.

Cuando la energía total de excitación de electrones de las partículas en colisión es suficiente, entonces la energía de enlace de dos partículas que se unieron entre sí también puede contribuir al acto de ionización de Penning asociativo. ^{[6] [7] [8] La ionización de Penning} asociativa también puede ocurrir:

${\displaystyle {\ce {{G^{\ast }}+M->{MG^{+\bullet }}+e^{-}}}}$

La ionización por Penning de superficie (desexcitación Auger) se refiere a la interacción del gas en estado excitado con una superficie S, lo que da como resultado la liberación de un electrón:

${\displaystyle {\ce {{G^{\ast }}+S->{G}+{S}+e^{-}}}}$

Se omite el símbolo de carga positiva que parecería necesario para la conservación de la carga, porque S es una superficie macroscópica y la pérdida de un electrón tiene un efecto insignificante.${\displaystyle {\ce {S+}}}$

La ionización de Penning se ha aplicado a la espectroscopia electrónica de ionización de Penning ( PIES ) para el detector de cromatografía de gases en descarga luminiscente utilizando la reacción para He ^* o Ne ^* . ^{[2] [9]} La energía cinética del electrón expulsado se analiza mediante las colisiones entre el objetivo (gas o sólido) y los átomos metaestables escaneando el campo retardador en un tubo de vuelo del analizador en presencia de un campo magnético débil. ^{[9] [10]} El electrón producido por la reacción tiene una energía cinética E determinada por:

${\displaystyle E=E_{\text{m}}+IE}$

La energía electrónica de ionización de Penning no depende de las condiciones de los experimentos ni de ninguna otra especie, ya que tanto Em _como IE son constantes atómicas o moleculares de la energía de He ^* y de la energía de ionización de la especie. ^[2] Espectroscopia electrónica de ionización de Penning aplicada a sólidos orgánicos. Permite el estudio de la distribución electrónica local de orbitales moleculares individuales, que expone al exterior las capas superficiales más externas. ^[11]

Varias técnicas espectrométricas de masas, ^[12] incluida la espectrometría de masas por descarga luminiscente y el análisis directo en espectrometría de masas en tiempo real, se basan en la ionización de Penning.

La espectrometría de masas por descarga luminiscente es la determinación directa de elementos traza en muestras sólidas. Se lleva a cabo mediante dos mecanismos de ionización: la ionización por impacto electrónico directo y la ionización de Penning. Los procesos inherentes a la descarga luminiscente, es decir, la pulverización catódica acoplada a la ionización de Penning, producen una población de iones de la que se pueden obtener directamente resultados semicuantitativos. ^[13]

• Ionización química