Автоионизацией (ионизацией полем) называется процесс ионизации атомов и молекул газа в сильных электрических полях.

Связанный электрон в атоме можно представить находящимся в потенциальной яме (рис. 1). При включении электрического поля напряженностью E к потенциальной энергии электрона V₀(x), находящегося в точке x, добавляется потенциальная энергия eEx, где e – абсолютная величина заряда электрона. Вследствие этого потенциальная яма становится ассиметричной (рис. 2) – с одной ее стороны образуется потенциальный барьер конечной ширины, сквозь который электрон может «просочиться», т.е. может иметь место туннельный эффект и будет возможна ионизация атома.

 

Вероятность W(V, E) туннелирования электрона сквозь потенциальный барьер определяется формулой:

где V(x) = V₀(x)+eEx и E – потенциальная и полная энергия электрона соответственно, m – его масса, h – постоянная Планка. Вероятность туннелирования W(V,E) резко увеличивается при уменьшении площади барьера под прямой x₁x₂. Это происходит при увеличении напряженности поля E или при повышении энергии E электрона в атоме какими-либо другими способами (например, при туннелировании электрона с возбужденных уровней). Так, вероятность автоионизации атома водорода из основного состояния достигает заметной величины лишь при  E ~ 10⁸  B/см , а из возбужденных состояний уже при E ~ 10⁶ В/см.

Наиболее полно автоионизация исследована вблизи поверхности металла, так как она используется в автоионном микроскопе для получения увеличенного изображения поверхности.

Рассмотрим электрон вблизи поверхности металла. Из-за большой электропроводности металла его поверхность эквипотенциальна, силовые линии электрического поля перпендикулярны к ней. Поэтому электрон с зарядом -e, находящийся на расстоянии x от поверхности, взаимодействует с ней так, как если бы он индуцировал в металле на глубине -x свое «электрическое изображение», то есть заряд e.

Благодаря силе «изображения», действующей со стороны металла на электрон в атоме, который находится вблизи поверхности металла, потенциальный барьер понижается, и вероятность автоионизации атома возрастает. Однако автоионизация возможна лишь в том случае, когда расстояние атома от поверхности превышает некоторое критическое расстояние x_кр. Это связано с тем, что при обычных температурах для осуществления туннельного перехода электрона в металл необходимо, чтобы основной уровень энергии электрона в атоме был поднят электрическим полем хотя бы до уровня Ферми в металле. Если атом приблизится к поверхности на x < x_кр, то уровень энергии электрона в атоме окажется ниже уровня Ферми в металле и вероятность туннелирования резко уменьшится. С другой стороны, удаление атома от поверхности металла при x > x_кр также приводит к резкому уменьшению вероятности туннелирования. Поэтому практически автоионизация в данном случае имеет место в пределах некоторой окрестности точки x_кр. В рабочем режиме автоионного микроскопа полуширина этой зоны составляет .

Главным условием, необходимым для наблюдения эффекта, является создание достаточно сильного поля E > 10⁶ В/см. Такое поле можно создать вблизи (на расстоянии 2–5 нм от поверхности) проводящего острия, при достаточно малой кривизне его поверхности (100 – 1000 ).

Пример использования в технике – автоионный микроскоп (ионный проектор, полевой ионный микроскоп). Автоионный микроскоп – это безлинзовый ионно-оптический прибор для получения увеличенного в несколько миллионов раз изображения поверхности твердого тела. Автоионный микроскоп дает возможность наблюдать расположение отдельных атомов в кристаллической решетке (рис.1).

 Явление автоионизации используется также при создании ионных источников для масс-спектрометров. Достоинством таких источников является отсутствие в них накаленных электродов, а также то, что в них удается избежать диссоциации исследуемых молекул. Кроме того, с помощью таких ионных источников можно наблюдать специфические химические реакции, происходящие лишь в сильных электрических полях.