Один из важных разделов современной науки посвящен исследованию явлений, происходящих при взаимодействии фотонов, ионов и электронов с веществом. При определенных условиях эти частицы могут приводить к разрушению твердых тел. Ранее считалось, что для этой цели, например, ионам достаточна энергия в несколько десятков эВ, а электроны необходимо разгонять до энергии в сотни кэВ. Однако не так давно было обнаружено, что и более медленные электроны (с энергиями всего лишь в несколько десятков эВ) также разрушают твердые тела. Поскольку такие электроны проникают в твердое тело на незначительную глубину, то в этом случае часто говорят о разрушении поверхности твердого тела.

Частицы, сталкиваясь с твердым телом, передают часть импульса и энергии атомам, входящим в состав самого твердого тела. Если переданная энергия окажется сравнимой с энергией связи атома в решетке твердого тела или выше этого значения, то он может либо сместиться на значительное от своего равновесного положения расстояние либо вовсе покинуть твердое тело. Для атома водорода энергия связи составляет ~10 эВ. Тогда при облучении мишени электронами для разрушения твердого тела понадобится энергия электрона ~10⁴ эВ. Подобным образом можно оценить энергии частиц, необходимые для разрушения адсорбированных слоев. Энергии связи хемосорбированных атомов или молекул сравнимы с энергиями связи атомов в твердых телах. В отличие от этого к десорбции физически адсорбированных молекул, энергии связи которых значительно меньше (~1–2 эВ), приводит бомбардировка частицами с существенно меньшими энергиями. Например, при использовании электронов такой процесс для тяжелых молекул должен протекать при энергиях в сотни эВ. Необходимо отметить, что при соударениях частиц с твердым телом передача энергии происходит одновременно многим атомам, поэтому значения пороговых энергий, полученные опытным путем, оказываются в несколько раз выше расчетных, когда учитывается лишь парное взаимодействие частиц. В последнее время получены надежные экспериментальные данные, свидетельствующие о том, что для ряда объектов десорбция с их поверхности, а в некоторых случаях и разрушение самих объектов происходят при энергиях электронов, меньших 50 эВ. Таким процессам, несмотря на некоторую некорректность, присвоено общее название – электронно-стимулированная десорбция (ЭСД). Для их объяснения привлекают неупругие процессы, связанные с возбуждением электронной подсистемы твердого тела.

Первая модель ЭСД была предложена Д. Менцелем, Р. Гомером и П.А. Рэдхедом в 1964 году для системы, состоящей из металла и адсорбированной на его поверхности нейтральной частицы (МГР-модель). Согласно этой модели, падающие электроны переводят электронную подсистему в одно из возбужденных состояний. Ионизация и нейтрализация частицы происходят настолько быстро, что за это время они практически не успевают сместиться (рис.1). Это позволяет переходы из одного состояния в другое изображать вертикальными стрелками. Поскольку радиус положительного иона меньше радиуса нейтрального атома, минимум потенциальной энергии возбужденного состояния (M + A+), соответствующий равновесному состоянию частицы, лежит ближе к поверхностным атомам металла по сравнению с минимумом основного состояния (M + A). Если принять во внимание еще и силы зеркального изображения, появляющиеся после ионизации атома, то понятно, что ионизованная частица вначале будет двигаться по направлению к поверхности, набирая кинетическую энергию.

По мере движения она приближается к металлу, в результате чего резко возрастает вероятность перехода электронов из металла к иону (этот процесс называется туннелированием). В конце концов, туннелирование происходит, и ион вновь превращается в нейтральный атом, возвращая систему в исходное состояние. Полная энергия атома складывается из потенциальной энергии в состоянии M + A и кинетической энергии E_k, которую набрал ион при движении к поверхности. После нейтрализации иона силы зеркального изображения исчезают и остаются лишь силы, выталкивающие частицу с поверхности в вакуум, так как атом теперь находится в антисвязанном состоянии (рис. 1). Естественно, что скорость движения уменьшается и на некотором расстоянии происходит отражение частицы (направление скорости изменяется на противоположное). Возвратившись в положение, в котором произошла нейтрализация, частица обладает той же кинетической энергией, которую набрала при движении к поверхности в виде иона (E_k). Если величина этой энергии больше глубины потенциальной ямы, в которой находится атом, то он десорбируется.