Download - Fundamentals of Mass Spectrometry Basic … ˘ ˇ3 ˆ ˙˝˛˚˜˝ Fundamentals of Mass Spectrometry Basic Understanding of Penning Ionization Masatoshi U@6> Department of Applied

Transcript

REVIEWREVIEW

��������� ������������� 3� ������

Fundamentals of Mass Spectrometry�Basic Understanding of Penning Ionization�

����Masatoshi U@6>

��������������� ���� Department of Applied Physics, Tokyo University of

Agriculture and Technology, Koganei, TOKYO, JAPAN

Penning ionization, one of the fundamental chemical reactions involved in ionized gases, is recentlydemonstrated to facilitate a new type soft ionization source with a high-e$ciency in mass spectrometry. In thisreview I present indispensable physico-chemical understanding of Penning ionization to design and to operatePenning ionization ion source.

(Received June 1, 2009; Accepted June 1, 2009)

1. !"#$�%&'()*+�

������������ ������ ��� !��"#$%�&����

A�'M( A'M''e) (1)

*�+,-�+./ $%�&����0� �1#�2�34� A� 56 �M#��78���29:;<=5>�78.?�#@A����� M' 5BC78.��DE./ ?-0FG#HI.���BC1)J5)KID L� MN����#H+�"����G�1 ������+,-�+.6)/&O�� PQ��$RSOTSU=V D0� P$%�&����0WL�1#X�7-.#0�Y�+ +V �7-�+.*7)� ZL[\� ����#$%�&����5X�].�^_*`ab�7-�+.8)J10)/ �cD0$%�&���������b�d��#E3A� [ef�gh5ij]./kl� ^_#@A��B].�24� A��m�*�n.�op,-.�D� kl� q�m�#r+�st./

1.1 ,-.!"#$/ 01234567 A�$%�&��������D0� �u= � DC��

AC� !5�+�A5�2��kl A� 5BC78�?-5M���78�����]./ A��20+l-

"���#@.3v� A� KID L��� ��� !�w��"� xy��BC]./ ����z�0

A''2A( A'2'A (2)

A'2'e) ( A�{'A (3)

A�{ ( A�'hn (4)

�+|��� X�}~� X� q����2���,�����2#@Y� A� 5BC]./ ���D A� 5BC].�#0� w��5�#@Y����� A� 5����4�u= 5����kD!�]./ ?�@| �"FN�D��2� q��� u= !�� �+|��5�+3��� A� 0� ����24���U�=��U=4�DE./ A��*��].�� 7k�k ��������24�*BC7-./ q��2���zr*� ���������>*��7-3[e�2��� ]n �,-.89DEA� $%�&����#H+��+,-. �1 �24�DE.11)/ [e�2��������2�¡#0@A�¢���#$t�£nv��£+*� �¢����,e9:;<=��2�������> ¤��¥ 5¦A%�������A#&§|�].'�D� z�0����24�#¨©7-./ k3� ?�@| ���>#@Y�[e�2����U�=��U=4���ª�9:;<=5"r4�0]«¬�#­(]./����9:;<=5nl�#®¯.x!�£nv��£ )�9:;<=5"r�U�=��U=4� ¤£nv��£ °��a�4�¥D0�A'����£nv�±�#E.�*����0*²³#´µ].��@|#¶.k+� ®·¢���>*2?A#LL .3v� ����24�5��u= �#`a´µ]./ ����U�=�

Correspondence to: Masatoshi U@6>, Department of AppliedPhysics, Tokyo University of Agriculture and Technology,Naka-cho 2�24�16, Koganei, Tokyo 184�8588, JAPAN,e-mail: [email protected]����� ����������������� ����� ¸184�8588 ��+¹º»¼�½ 2�24�16

J. Mass Spectrom. Soc. Jpn. Vol. 57, No. 6, 2009

�393�

������� ���� ������������������� ������������� �12)�1!�"� #�$%&�'(�#���)*�+,-./�+012 34 5�67"8� ���9+�:;���<�=+�>��?6&�@�����4A�!

1.2 ������ ��� ���� ���������A�

102B105 Pa �CDEF��GHI� A� ������>�@�7JKD! E�L�M������N+�O4P��K8���������!

A�QAR AQ2QeS (5)

?+F��$�T��6�#9��'(�#����U�V�W�+��4�XYZ6�! '(�#���)*�[,-./��U\� �"%]^�W�_+ ` a4b�67C�c!#W�������de11)� Z�� ??%& 5�6�012 3�V�"�df! ?64g�hi�#9%& 5�6�012 3�A�! E01I��� 5�6�V�"�#9+�$%&#e�j7iZD4� EF��$���

A�R AQhn (6)

AQhnR A� (7)

+KD�� A�Kj7klm�6� $3;lm+n8%i�K8� H&'�V�W�+,-./�4(o�6�! ?6� pV� `+)[q�r �CD! ?+KD�� V�"�*+��,-./��H&'�#esD012 3�i7�A�C��V�W�+���i7H&'�,t��4�V�W���+,-./��i7(-�67C�uv+)D4��%�.C��� ?+,-./�+w/_+xy�z�i7V�W����+P��K�! V�W�+��P

�1 E�L�M�����+M�+P��"C7�� (1)+0{K8U� M+ |��+������K� A� }M���O~+���� A� QMRAQQeSQM41��A�! Z�� M4�H��2+EC3��A6�� ���01'� 5�6�+��OM+1�4�5��6� A� QMRAQQMS�CD6������E�7�#?���� E�L�M������ p��5��K�6���+��r �8���!9��+xy9�i7:C&6�!

��K����'(�#W�K8UEC�7�#?8�%]� ��,-./�+�C�$���j7#?��������X� ��7�C! i%U� ����KD�� '(�W������7��������+�74EC��� EF�I�+������"C7 ��7���A�11)!

1.3 ���������"� EF���I��'(�#W�� V�W���U�� �I+KD����0{�Kj7� # p��r ���C� �X+# p3�r ��[�!

A�Q2AR A�2QA (8)

���+KD�)|�4+���� V-�>�����>�=�K�;�+�<�+3���&�C! i%i� #i��>��)|��O�����>W� A�2 ���!?6�,�����df! ]Z8� A� �UD�]+A4= ���� 8����>�K8� A�QA � AQA� +¡?4� �O�8� W�+��24@i73��i7(���! (��3+,-./�4�>,-./��A8� N6�TA,-./��i7o\���� }0{¢ (8)£B+A~ �Y¤¥&�uP�4EF������C �D2�#?���� �J�%�#3������! w/ M

�+0{�U� #�� A� �¦�7� ?6&+#3�A�2 �+P��Kj7#?�U+4YZ6�! '(�W����EF��,���� A�2 �Aj7U A� +�>����W�4§����� ���3¨�©ª4G67 ` a A�2RAQAQhn �#?�! AQA �= ��)=«¬��­.,-./�4@C��8(�W��A����?+� +$3+,-./��� A� +#,-./�K8U�O� %]� HI��U+���! ����� ®�¯°+±²³´µ�.MHIJ$34?6�A��! ?+$3�� V�$3��§�8� lm�� 3�¶4,ti�C��� lm�6�?��O�·\�#¸i7¹�6�!

1.4 A� �� !"#$%Table 1 ����������"º�,-./�xy�� A� ����»�¼�i�i�:C&6������+

Table 1. ���+c!#W�+,-./�

A� #W� EA� (eV) ��W� a aK.

He

2 1P2 3P2 1S2 3S

21.21720.96420.61519.819

V � W �3¨�bLW�' ( � W �' ( � W �

2 1PR 1 1S2 3PR 2 3S

58.43 nm1008.3 nm

Ne

3s 1P1

3s 3P0

3s 3P1

3s 3P2

16.84816.71616.67116.619

V � W �' ( � W �V � W �' ( � W �

3s 1P1R 2p6 1S0

3s3 P1R 2p6 1S0

73.59 nm

74.37 nm

Ar

4s 1P1

4s 3P0

4s 3P1

4s 3P2

11.82811.72311.62411.548

V � W �' ( � W �V � W �' ( � W �

4s 1P1R 3p6 1S0

4s 3P1R 3p6 1S0

104.82 nm

106.67 nm

}Kr, Xe �#,-./�4�O���9��)�½=:C&6�C~

M. Ukai

�394�

��������� � ������������������������������������ ��!"#$%& �'� A� �������� EA� #��M

���������� IEM �()��*#� ��!+!& ,�-���.����/0�������123450��� �������6�7�!"�*��8�8'� ���������,�-��#.�!"������9���8:& ; <���=>?@��A!%���BC��D�E5+�� �� ��"F& � �������!G!G���� (chemi-ionization)�2*HG��� !"#$%

1) EA� �������I0J$"*K�M���L��M�

2) A� �����& N!%&3) A� *M�=���=>?@�&

#& � �������OP�QP�KRF%S8TUVW�� ��

2. ����� ����� ������� �����

�XY�Z [\]+�D^_``�VabcaY�d �e 2)�9fAg�"�Q�& �������������()������#�P��%9& h!9��������R0��8'13)�

A�iMj AiMiiek l� ������mj AiM�� l���m

�2 �b`� [_``�VabcaY�d7) �e 7n��& ���o���E���!%�D�� l�D����m *'Q�p#�'��%'�#& ; �/0�>qr��������Q8�D������&9!:�s��Q8 [���d ���������t��'�uv�q!%& ,�-��������������A!"��w��xyP��������z%�D��*H^uv9{| ����}g�"'�

8R~& M���������������& ���"5~��t� �����50�8:& ����������()���������9�!����������#�:�v�� ���!" M�� ��"�������+& 9!:�& #��!G!G$��!�%&�����

M��jMiiek l������m (9)

j BiC l!���m (10)

jMihn l�����m (11)

B'��& ������-!����(z%�����l�s�tm ����Rh+� �� !"#$%& �*!%������*!���#����

2.1 ������� ! M" �� ��12 eV�20 eV )*���������!%��!"�������& ��#���*N�������{:�����v����'���"F�& 9�-���������*#�K8'� ��"F& M�� ���*N�!���#1K8�v����G& �������+�,��� ���& A� ������������q� [-�d� �� ���.��QP�S8��/#& ��������q�������v& 8R~& ������� �14)� (����8���uv��& �������e 1���������& e 2���������& 00�1��2 !%�����#¡¢�� !"#$%& ���������1������/��+�2g83£*& ������2*#,:����/��+�1K83£*#¤¥!%������#$¦�8����& �������*���r���4*#§P& �����9¨'5©�R"$%¡¢��Q�8�� Fig. 1 �':�+�6ª����'%�����/��+�14), 15)� ���«¬­®�X�Vbab���s��'%7¯��8��������q!%

Fig. 1. ��86ª�������/��+���eB���������)*�������I0J$%9 100° ��+������R0��8'� ��������*N���*'Q& #����±)��v#1K:& I0J������#1K:8����%������v#§²�� ���Q8����/��+�³�88��´�µ9!" Ar, Ne, He �����������1������ �����¶·`,�+������������� ��������v9& ¸¹��º»�:*;)*� ¼Q*<½g���

� ������

�395�

������������� �� ���������� ������������������ ���� !"# �$%&'� �������()* +,�-. (/0�. �123 4 56 7��8�,�9&:3 ��������3 4 ; <=> ���?� � 1���������@AB��CD �E�?� ������? 1@���FDG� �0�. �������H3 ����%� IJ����� � 20 eV �)* 1�� 14)K16)4

2.2 ��������� ��� Ar� ����������

L�M� �������? 12 eV N��G (Table

1), ��� (IEH2O15.46 eV)P��� (IEN2

O15.58

eV)@����3 ;(?�Q>%4 R�� )(ST �U� � 1���������@AB��CD ���� 4 Fig. 1 �L�M� V��������@WQXY(� 12 eV N�Z [\ ]� ^���� 4 ; ������Z� � ������? 1@���FD 4 ���9&;.� ��L�M� �������@:�&'������_. `�?a_b� ���c��% A� (�&?� dF�ef He� � (%0 gh=4

2.3 ��������� ��� He� ����������

;.�!�&ijkl V��������? 20 eV

�Z��G� ���@mb3f& �n� � 1���������@CD 4 Fig. 1 �o3�U� ""�; �����?� 1���������<G'� 10

eV )T�Qb� Vpqr#<G'�Q>$%�����@'\& 's�!t3 uv^ ���������@'CD9&$G� ;.� ���@��3 ()�����u`���; (/0�. 4 \RG� ������� ���('>%� *��+, ��!"?wx3 4 [email protected] (� 20 eV (%=�����?� 1����������z"{/�����@C|}���� �Q_�� �~� 01{/g��>b���{/'�; ;(@�2�&% �34 ;.� 34�<G� ��? Fig. 1 ""(�)* 1 ����; (�5�Q 15)4 \RG� �6�����?&�<9&����.M 01{/(�&78_.>%4 ; <=�ijkl ��+,�?�� ����� �%?� ' �� ��������< � ����������?%B.')* 1(�>} 4

�3 ��� ��� ���9�>T�?� ;.�@� � 2s r#�4:3 *��+,� 20 eV �Z�;�3 ;(�:������y�.&% 4 ��� 2p r#4: Vpq�r# ����Q%�~� ������ �F?�<�� 4 R�9� 2s r#�4:3 �r#?�U� ""�? 2p r#(��r#@� �~� =>�� 2sr#4: *��+,?�?�?>%4

3. ����������� �����������

3.1 ���� �� !"#$�%�������� <=>�@ �AB��Ct# ��?DEF(%=EF ��@'\G3��H�_. 4Fig. 2 �I�J�o3<=�� DEF(?�@K��y�(Q L� �Q_@EF�M��' �� 4 A� �M(�@�&&J�������@�=(%=Ct@/0 4

A��M  A�M� (12)

;;� M� ?NB�'��+, �@¡3 �?>b�A� ��������3.¢��������P*��£(��3 4 R�*��� ¤O�?P¥�ef�¦����� (9)P01{/ (10)�§"�&� ���g��>b01¨@��3 4 ���9&� A� ¤O ������ 's# ?;.�@Q"��� &'(����<9&H�_. 4), 5)4 A� �M Zb@RG�© (Q� A� S�-,?TE�@ ""(?ª/ b g� B.��G�;.@�@«U(¬­4 �@«U�a_%""�?� V®?�@�� ¯��Qb> (�@�>%4 �@@�;3;( �Q V� �@«U bmax @W«(3 ° EFsOpb2

max ��@DEF�� 4 bmax ?$$<� A� ( M

W« X�� 4 M £ �������Ct�<9&A� ?A�Y��3 �� �@«U@IJ��Qb�� �@±� A �y%g_. V� �@«U@ bc (3 (�Y��DEF?$$<� srOpb2

c �� 17)4�g�� Ct?� ��@'9&�; �~� �@«U� b �� (Q <a°² EF 2pbdb �Ct�� P(b)

@���' @QX��

srO2p �³0 P(b)bdb (13)

�Y��DEF(�&<GZ[�� 4 �\�� a_> b

�? P(b) ? 1�Zb� b ��Qb> ����%´µ�Z¶b4>$� ±e3 <=�� �@r#?(�J�?>b� �·L¸��¹º�»¼��<9&½]_. (Fig. 3-

Fig. 2. ������� DEF

M. Ukai

�396�

(a))� ��� ������ ���� �������������� ��� �������� � �!� ��� ������"#$%& '()��� *+�"#$%&��,- .�/��012345$�4 6� ��� �17)� Fig. 3-(b) �78� ���� �� �9:�;<��=� R0 �� 8� �>?9@AB��

3.2 �������� A� � M ��A� � M ��B��� �C �� ��D�� �E ���F�G�HIJ K&�3L��M���,N� O�9>�);�PB�� F����� �� ��D���� Q��R "#$%&.(:�����S,9� �� T�������U!J��D�.�,

�4 A� � M ����"#$%&�mv2

2V m

2(WvRXWvf)2V

mv2R

2X

L2

2 mR2 S,9��� (R) �Y "#$%&��Z�

9[� �Y � "#$%&9�\���� m � A� �M ]^_��Q8� vR ����Y �`� vf ���Y �`�Q�� � 2a � ��"#$%&�b���

LVmvf RVmWv0cb .�d�L2

2 mR2 VEb2

R2 � ��Wv0 ���

e��f ���Q8� EVmv

20

2�Q�� �"#$%&

����Y ��9�gh �"#$%&�Q8� ��.12345$"#$%&9ih� Ve#(R)VV�(R)XEb2/R2 .�012345$��,�

� �� O�9�B�>���Z �� �P�Q��O�9�B�>�j��k� ��l� m ��9�8�> 'no3pqr3P� Q���� A� ��e- �e�J �� )I)��l(���P)��� Jk�>e�s���9 ��

Fig. 4 't- 9uvw�F� He(2 1P) xyzF� Rg(M) 9S�����e!"{.|B18)}20)� Ne ~���e�� d� Ar, Kr, Xe ��no3pqr3P��Q8� M 9S��>���z ��9Ss;!"{ �`��� ���"#$%&�#?(� �� )I)A� � M �C �E�$ ���Q��>!"{9��A� �� >�?( ��@AB�� � �xyzF��!"{� ��Q�,���%\)�B���,�&� xyzF��( A� ��D�� �k� ��e!"{9������(�'�Q�� ��� A� ��D� ������E�$9��)��!�Q8� l���(B�� `)Q�s;� Fig. 4 '�- 9�� A� '��� Rg� �))�- 9�B�*+��9S���e!"{.|B21)}23)�

He(2 1P) '�,D�- ��e!"{(s�( ���He(2 3S) '��-D�- �� Ne(3P1) 'j��,D�- �Ne(3P2) '��-D�- ( S8�`�� �$�3 .: �,D� ~�� no3pqr3P�� �� *+ /� �eD� � �Q8� !"{��¡!;�`��S8�,D� ?_ ¢0 Ar(1P1) !"{S8 ��� ��� A� ��D� �� M � ����E�$9£���!�Q��

4. A� �M ������� ���

F�����¤�H F�G�1� ���¥ `���!� 2?3�&¦ ��(�E�$��J�� 23�§���;����� A� �M ���Z�¨� F�GIJ d M�.©�;45`�;��� A� � M

§�9�ª��� A� 6 ��� MX F�GIJ(M�.©��� M 6 ��(&6�Q�� ��� A� 6 ��� M 6 �� ��� A qr3� M qr3� �9�� &7« �H&¦ ¬��8���J�� � ����E�$�no3pqr3P97�;­ .: 6�.|B�

4.1 �������� � ��������� !"�

����E�$ ��� 23� �v ��9�� 9=�9�M�� �=����8�:®9��J�S,9 �� � �E�$�.: 3� A� �M �v ��.¯;)� °�±� ²<���.U!�� ��,³ � �¡k ´µ�$ �E�$¶ �Q�� ���� ����E�$ 12345$"#$%& V�(R) �Q8� 23� =� R 9�B��v ²<"#$%&�Q�1), 17)

(Fig. 5-(a))�� �E�$9S8� 3��� ·=�*���M�9S8M�¸¹J��>º> � �=�9���� �

Fig. 3. »?¼@·= A½� (a) ��012345$(b)���� b �� ���"#$%&Bi)� <��=� R0 OC9��B��!� �>?9@AB��

no3pqr3P

�397�

�� ������� ���������� ������������� ! (Fig. 3-(a))� !�!"�#$ %&'�()*�+,-./()012345�Fig. 4 678 �9�� Ar, Kr, Xe ��#$ %&'�:

;"�<"�=>?�:;/0@� He(2 1P)AB Ar, Kr,

Xe �CBDE �:;� 5,� V�(R) �:;��4�/F!�GH��;18), 19)�I*0 R �J�KLMNOPMQ/"� AMRReS

3TU�!�F� !�3�������;- V�.W� Merz et al.24)X� R �5;��CBDYZ340-[B\]�^Q 6[B_`8 /"� CBDYZ[BYZ�D�abcde�f�g�"0;�%h�i 6jkMlmnMoMAp8 �� q@�rs� tu/F� !��i��� F R /[B_`� !)� OPMQ�vD� R "^G�w� x�)�CBD�yzYZabcde KE 6Fig. 5-(a) � V�(R) {�E;�|}�~�� ��abcde E H� V�(R) 3E;�4�8 "OPMQ�4���� 5,�� OPMQ��\]"!� R

/�OPM\]���M��c VR(R) � KE�ESV�(R)

3�.�abcde345\]��TU�� !�)�� ��abcde VR(R)RESV�(R) � VR(�) 3���W� ARMR �C��!�/)w� CBOPMAMR �TU��

4.2 �� ���� �������{H�4GH�-�� KLMNOPMQ" A�

M ����� !�=/F��� ��*�[B�abcde" R�� /� V�(�)SVR(�)�EA�SIEM

/"0@� OPMQ� !vD� R �J� V�(R)SVR(R) �()*34� (Fig. 5-(c))� �� R /�OPMQ� !�f�;H3������[B�abcdeC�3��1) (Fig. 5-(d))� x�OPMQ� !�f�*3+�������� (Fig. 5-(b)) /F�� y�������C

Fig. 4. A� M �:;��#$ %&'�:;He(2 1P) � Ne, Ar, Kr, Xe ��#$ %&' 678� He(2 1P), He(2 3S), Ne(3P1), Ne(3P2), Ar(1P1), Ar(3P1) � N2 ��#$ %&' 6 8�

Fig. 5. CBDy����¡¢£(a) A�RM �y�����M��c V�(R) ARM� �y�����M��c V�(R), (b) _`¤¥W (R), (c) ��*�[B�abcde� R �z�¦�§� (d) ��[B�abcdeC��

M. Ukai

�398�

�������5��������� ����������� ���������������������� � !��"#��$%� A�&M ��' ��(����)�*��+,� 2�����+�+-���*./� A&M&

&e0 ��'�� ��(������*��� ��'1�23456748����6� ��(��+� 9:��� R0 ��:�.;� <��=��+� >�� [A� &M] ���� [A&M&&e0] ������� <�?@�= �����'� A� � M � ����������� � �� [A�&M] ��� [A&M&&e0] �AB+��� �C���D�!��E �!��F�'��� A� �M�:�*���� G����H��!���� I+� " �JKLMN Oe0 �JKLMN�PQ*R ���#S �����$%���G��G� 2��TUV� G�+$&1��'�())�*����' ��(�W%AB�X��YZ*����A� �+,JKLMN+�+-A[;����V� [A�&M] ��' < �= �����/� \� � [A&M&&e0] ]�E-6748�^G_� ��/� 23456748+./'� �� � < �= �01^���E-6748���14)� !��"#��$%+� 2`�a3� _�@b� JKLMNc-�Xd*>��CY���]�48_�5efg6�/�h O7c89R ��*1��� 7c89+�:�X'�� A� �M����:UV���; V�/� V�(R) ����<%=�; )�iQ�� �� A� ��*� j>��� (k�����'H��!������������?�" �M�@�*7c89lA�H��� mn�G�G����*:o��

5. ����������

A� �!����p�� ��X'�!�7c89�qr_�C� Fig. 6 �BsC����(k�t��j>��t��@�*uZ*�X'� A� �1^!�� e�1 � DE��M�!��FG�* e�2 �_��!�+\�v��t�w�H!xCY�yNz4{��Xd*IJ)�*��� Fig. 6-(a) �X'�./��g� �D$�!�� t�w�@�*K��yNz4{�|L�+�YV� �C�Fig. 6-(b) �X'�}~� A� �M�'�+� yNz4��4��L�M�����N��!�+IJ)�*�����4��LJKLMN�O@P+t�wCY��� r1,

�5 23456748+ ��(��+n��X'�DQ��4��LR��S1�����

V(R)�V�(R)0 i�2

W(R)

V�(R) +R���"#���4��L���� ��� W(R)+7c89��/� �W(R)+ �g�� R�.�*�� [A�&M]��*T�� �fgU Ofg�#a�VR �@`��JKLMN�#a�V�U����

�6 ��(�DQAE�@��� � \�IE,+W�SX�, �G�� !E,+#SY�, �T���Z_�� W�SX��d�>����[� O���R �c�*W�#SX�_���'�Z�� <!= ��"#�����

r2 �`�*\)V��� !��IJJKLMN+ r1, r2�� �� ��z��*]�����P��/� H�P�+IJ!��+�����Z�� A� �1^!� e�1 �IJJKLMN+ IEA� ��/� \�mR�JKLMN�^;���6748_�� e�1 ����T��*���_+�� OH�R ��d*./� \�JKLMN�1^JKLMN EA� ���� IJ!�� `a3�7� Fig. 6-(b) �+a���JKLMN��LR�b��� I�+" ��g+� `��� (Fig. 6-(c), (d)).

5.1 ��������� A� j>������ � 23456748+���*c��|c���"#����*^G�� A� �M��:_��� !�g2��X/ A� � e�1 � ` Fig. 6-

(c) �X'�� ���_�K��T�?d�F�[_� \�$%� 1^��CY���et�A `�fd*��'�G�+1^��CY�e��]�7c�@`�� \���!� `�48�g9+7cc�� N¡4¢�G)��� A� CY�!?�`h�*M�£¤!� e�2 �� �^G/\�7c�g9+ M�M&&e0 �7cc�� N¡4¢�; )�Xd*i��� �� R �.;�7c89 W(R) +7cc�� N¡4¢ mA�, mM �=�i�/� C ��E��*�

W(R)�Cm

2A�m

2M

R6 (14)

���� G����������� �¥¦18), 19),

23), 25)§27)� A� j>���� �e����g�; �7cc�� N¡4¢ mA� ��� Om

2A� +¨©i<%=�

jk_�R� A� �JKLMN�^l_� M�M&&e� ���]�7cc�� N¡4¢ mM O���+¨©i<%=R �; )"���m����

1/R6 �jk_�7c89+� 9:����iQ� �g�"#��L�, �j�*X/n���oª��/�8� A� �M9:����pq_�mr�� � �7c89��d*23456748^G�� G��Q./JKLMN�s«� 2���"#�_�fg�¬t��*+�Y � 23456748�ª3 O7c89­�"#��fgR un_�� ��� ./JKLMN�s;+{���4��L�X�./�_�{ ®��ª%�¬t)���mRCY� A� j>��t��� �./JKLMN�s;�X/<%=+¬t_�� G�+674¯�°±²9³V����674�v�ª3¬t_�G���Z_��

5.2 ����A� (k�1^t������ �e��]�7cc�� N¡4¢+�z���� ��/� £,!?�X/ A�

�7 IJ!��w-AE�O@P��x� Fig. 6-(b, c) �+� w-AE�'y@z�´��*� t�wCY�{µ r1, r2 ��w-AE�O@P��x�%=mQ r

21, r

22 �¶;����b�

���8 ��Z� �g��4��L��*������Y�� (6,

12)·�¸N¹|º»N4¼|��4��L�:��L�½+ 1/R12 �jk�� {�½+ 01/R6 �jk_��

23456748

�399�

���������� ����������� ������������ !"#$%"&'(�)*�+,)-. /012'������(�34 1), 28). Fig. 6-(d)

'5�67)8�9:� R ;3 A� < M <�=>� <� ?��@A08�0?�34 <-76B� C,D A

'E M 'EFGHI�- <JKLM7�NH�,-./I�?�0OB7 ��0��P0QR34B� ST����<-7. M 0UVW"XY"Z[\0]^'E_`a`b'cd� ?�0ef�4B� A� 0ghij�k<() e�2 � A 0FG?�34 <lmHI� e�2 �A� 0gh+n��,;7<� E�o e�1 '� A 08�pqr0UVW"s�tu)�)B� vgw'xyHI . ?�ef� r1, r2 'z,�_`a`b'cd� L�� W(R) �{0_`a`0| }-+ R 'a,�~067'��,� >�b'

W(R)�a exp(�bR) (15)

067)���P<) 1). /I�����������

�'���6B��)cda`34B� �>=:��>;3=>,)�Iu�)���P+EL)-. �;B� �H)���`30��3)�Iu����/r�� �����������'6 12'����������H�) . ?�ST���b��8�012'E�/ �� 6B�:��0���������������0R�H'R����� .���P� R 0Q�'z,���'cd� /<'6B� �� ¡\¢V'z� !"#$%"&0���0£&������������0126BE¤¥34 .A� < M 0�>=:���� ¡\¢V'¦§,� �� ¡\¢V�Q�� /<'6B� 6B�H)�>=:�;3=>� /<�3� 67') (Fig. 7-(a)). �>=:�0cd����P W(R) 0Q�'�)� (Fig. 7-

(b)). ,L�¨�� W(R) 0 R 'z� cd���34 M©� �� ¡\¢V0Q�'<E)- !"#$%"&0ª� P(b) �QR,� ����� (13)�Q�a`<)

Fig. 6. !"#$%"&0«¬!­®(a) A� <M08�b ¯°� (b) 8�±XY"Z[\ ²³-´µ¶ <FG?�0ef)r·'ghef ²¸µ¶ 0 ¯°�(c) ¹?����+º»L?�0�¼. �����������012� ½6· (d)?�ST012.

M. Ukai

�400�

�� ��� W(R) � R ����� ��������������������������� ��� !"#�$%�&'(�)*�+,��4), 5), 21)� -�&.��/01� W(R) �23456! V�(R) � R ���789�:;�(�)*�+���� !"#���789<=>�� ?@4ABC4D, A� �� !"#<�;E��F���G>� G�H��� !"#�IJ�K)-'.��� L,��� !"#��MENM;*�+��D���-��OP� ����� QRS�)T��UG��)T�������,� VWX���)Y����Z<�D[\�]^ME(�)*�+���� !"#789<��MGBC4D�_��$`<a�-�Kb�����

5.3 ��������� � ��������������

�c�,?@4ABC4D�d;E��e�f>gg'�� �������h�ij9�;.k�l;mn�d;Eo��� -�,pqr�����;.-��st];�u� !"#�����,v]'�� !"#w���T�������,� A� � M �xy���z����<�'-HE {xyh����|<�}�~E�����T�� ������-�,];� T��������]!��9,T���t,��E� M �xy�����T�����������"��]�#��]���ME=��� d�'� M ������ ��� A� ��������������'� M ������<S>E;�h������g�$ME?@4ABC4D�)-�� MG��

�9 %�����~�&�S9T'�&�8������'�]g� ��B�#��(��`}[�;.P���`}[�-��

E� QRS�)T��&�� ����< MG?@4ABC4D,��)¡]�F���6), 29), 30)� -�¢�£BC4D�����BC4D�,`}gv]�¢����10�

�10 ¤*¥¦T�����,� §¨+9�������������&�?@4ABC4D�"����G>� £BC4D�,©ME��)¡9,m��g;�ª«[���� ¬�<­®�¯°,-t�E;];� MG��E�c�±.,QRS�)T��&�?@4ABC4D������K�����

Fig. 8. Ne(3P2) �(�)*�+(�)*�+<�� M ������ME²J³´��xyh��9µ<�¶MGv]��D����°t���

Fig. 7. �����&�?@4ABC4D��~�*�+���� !"#789�/·a(a) ¸¥¦�¹¥¦�����23456!� (b) /01�� (c) /01���º�»�'<�¶MG(�)*�+���� !"#789� ¼��¨+ ��� V�(R) <½º�º��©��� (�)*�+�� !"#789, V�(R) ���W(R) ����]��'0�78��

?@4ABC4D

�401�

V�(R) � W(R) �� �������� ����������������������������� R ��������� !"#�$ %#�&���'�()*��M������+',���$

Fig. 8 �� A� '-. �/��� Ne(3P2) ������� 01��� M �2���/������'� M ��3� a�456789��� :;<=��2>5?@�A�'B"#�31)$ �3����C�D�����E����'� :;<��F��G4�E��H��� ��!I� H2, N2, CO, CH4 @J�:;<��' s =����'� %#"����2���/�����3��456789��K�LM@DNO'��$ %#�45�O2, NO, CO2 @J���3�����45��/����D'2,PQ@���R��BS�$ %#"����:;<=�� p =���,� s =����'������� T�U>5�V���45� p =������� T�; ������ ����!W��V4� -. ��������X�'�YZ� !"#��11$ [\,� s

]���� ^"�!W���'_#4� p ]�������� ]��`a���'�V���� %#"�=����b $@c',�]�T�����?���'d%@efghi�@�$ %��� A� �j&�k�M

���T��l\�'�����Ym�nopqir���st�d%@efghi�@�$��M�:;<=����� A� �M�j&�uv�:W'^" R0�Zw� ZxI� y($@�Ym�&��'� R0��Ym�� Fig. 7 �uv��� z{*|}pV�(R) �H"#�2w�j&nopqi�45�

�11 @u� CF4, SiF4, CCl4, SiCl4 @J�����\�)�~l'B"#�$ %#"����:;<=��*�+���2�E���,� �3����F�v�@� ]��N,4@Z����YLm��G����ih�E@>5Z�2w���$

�$ :;<=�������� ���3��Zw-./��\#���01��L����YLm�:W'^"'j&nopqi����45J�2w����M�&��$ j&nopqi����2,:W'^"'�Y���2w@ �Lx"MZ� z{*|}p V�(R) �E[���� j&nopqi'��45E:W'^"���'x�M@ �M�Z� V�(R) ������� A� � M '2�31 W(R) ��Y@4��\�5��W�%�'�Y�M6M�Zw�Z'7��$ ��� �M�m� � �Lx"Mm� �M�y($@����!W������� A�����������r��'� ����' M �y($��!W�/%��������nopqir����Y���$��*�()*��uv���8����[Z5�� ��*�()*��2>59�m#����nopqi�: ���*�()*�����'+�@;��<�45Z�$ �="���*�()*�������/���j&nopqi>�� ¡�?@�%��2,� -. �/���N,���*�()*��¢(£¤g¥�[Z5�¦A�c§4� m"�� /��¨©ª��D�2,��8����[Z5�F1�d%@;B�B5Z�28)$Fig. 9 � He(23S) �2�CD�����*�()*�������j&nopqir�����$ %���� ��*�()*��2>5CD�«[�()*¬E N

�2 (X2 S

�� ,

A2 Pu, B2 S�u ) '7F�'� ­1�()*¬E�7F�

��()*�����9�m#����nopqiG)�®w%��2>5�"45¯��E����$ N

�2 (X2 S

�� ,

B2 S�u ) �H[�¬E�7F����*�()*��

���������@j&nopqir���°'�N�2 (A2 Pu) �7F�j&nopqi���452,PQ@���°32)$ N

�2 (X2 S

�� , B2 S

�u ) � 3s�� ��Z��

2su ���9��2,7F�$ [\,%#"�=���� He(2 3S) � 1s b±��b $d@,'d%���'�

Fig. 9. He(2 3S) �2�CD�����*�()*�������j&nopqir��²s³ CD���*�()*��2>57��«[�()*¬E N�2 (X2 S�� , A2 Pu, B2 S�u ) ����()*�������*�()*�����I��Z� M[j&nopqi��mS5¯��E�$ ´#�J@m#5Z�´�µ#¶#���¬E�()*�7��k�9�m#�=����01�K·L�°4�E����$ ²t³ CD���y($�Ym��M�:W'��$ He(2 3S) ��������G45u,� \�� j&nopqi'��%��2,� ¸1�¹m@� ²Nº 282,»¼�B5O½$ �c 2007 Taylor & Francis Group³$

M. Ukai

�402�

�������������� ���������� He(2 3S) ���������������� ���� !�"�#�$%�&' �� ��( N

�2 (A2 Pu)

�)* +�� 1pu ����������,��� $-����./0��( N

�2 (X2 S

�� , B2 S

�u ) �1�

��23$(����,�3���� He(2 3S) ������� ���� !�".#��%�&' 4� Fig. 9

567 ����� He(2 3S) ���89� :;�<=�����>�?@�' �������A����4 �����BCD�EFGH��IJKL�?@$����2�M.�N����4 2�M�@�' =�( ��OPGQR��� �/3SIJKL��TU /2�M�V���' �� :��( ������������ �� W��XY(����,�3������� �� W%Z��&Y �?@�:S?@�' ����,�3�� � 1pu �������[X������ ( ��OPGQR��� �� N

�2 (A2 Pu) �����

!�"����\����] �3�' �����(Fig. 10 ^4��( IJK���_�!J�>� `a�( bc�d0� !�e"�)*f# :;�( :$$% �4��&�28), 32)'

6. � � � �

���� !�"�"g�h?@$( _�i#�4=j=3&k l���' 'm?�( ���� !�". A��� :�OPGQR�n&�M :�o(�4��(

A� �M���89��p)��qr��' * M�+,#e"�)*�q�� !�"�i# ��Xst����( =� A� �-�OPGQR.�&���h?@���( ��OPGQR ������ !�"���\ ."�/�&?@uS�&Sv0.1w�/�?@���.xy�' ���h�:$z{3"g�( 23�( 4"g�5� 0&��( 6| 1)}5), 28)3~�qr�7�?@�' 'm�_��� 0&�xy� ��3&�( �4��� !�� ���� !�".�&��������7�?@���S'����( !��)*i#�( �v,#�i#( �3Z�( OPGQR�8���\ :;��X�94��`$( �:M�;��;��89��<,#�= `&��&3�>e" (He(2 1P))��S�( JK�3��� :;�<,#����?,#e" 5He(2 1S)@�&�He(2 3S)7 :$/[i#� !�)* �@��&�' ���( ,#���A����� !�� ��Xl���' B���c��C�D&?@�'

� � 'm�-E ¡F�¢G��H£¤dI)�¥� :$¦��( §* ��/@w3¨©�ª.&�«�=��' =�( ��?�-J�KX�L¬�M­� �NO®PI)��GR¯ `&�Q�*° ±²�=�'MR���O³�I)( ´'�µI)��/FS Z�$KX�^¶.&�«X��/ ·�T¸.¹º&�«�=��' M­��»-UVI) �'m �z{3¼W.

Fig. 10. He(2 3S) :��������� !�"f#����>l�MN�2 (X2 S�� , A2 Pu, B2 S�u ) �)*f#. He(2 3S) �KJ���� `a��BL� ��X[��^��/�' Y&½��IJK��.�� 56| 28:$¹º.Q�T¸' �c 2007 Taylor & Francis Group7'

���� !�"

�403�

�������� � �� ��������

� �

1) A. Niehaus, Adv. Chem. Phys., 45, 399 (1981).2) A. Yencha, “Electron Spectroscopy, �Theory, Tech-

niques, and Applications�,” ed. by C. R. Brundle and A.D. Baker, Vol. 5, Academic, New York (1984), p. 197.

3) P. E. Siska, Rev. Mod. Phys., 65, 337 (1993).4) M. Ukai and Y. Hatano, “Gaseous Electronics and Its

Applications,” ed. by R. W. Crompton, M. Hayashi, D. E.Boyd, and T. Makabe, KTK Scientific, Tokyo (1991), p.51.

5) M. Ukai and Y. Hatano, “Charged Particles and PhotonInteractions with Matter�Chemical, Physico Chemical,and Biological Consequences with Applications,” ed. byA. Mozumder and Y. Hatano, Marcel Dekker, New York(2004), p. 121.

6) Y. Harada, S. Msasuda, and H. Ozaki, Chem. Rev., 97,1897 (1997).

7) J. H.���� �������������� ��� !"#$%&'($)� *+,�-.�/01-� (2007)�

8) K. Hiraoka, J. Mass Spectrom. Soc. Jpn., 53, 60 (2005).9) T. Iwama, M. Hirose, I. Yazawa, H. Okada, and K. Hira-

oka, J. Mass Spectrom. Soc. Jpn., 54, 227 (2006).10) K. Hiraoka, H. Furuya, S. Kambara, S. Suzuki, Y. Hashi-

moto, and A. Takamizawa, Rapid Commun. Mass Spec-trom., 20, 3213 (2006).

11) 2345� 67#$8� 116, 223 (1996).12) 9:;<� �=>#?@A�� BCDEF� 24, GH� (1989),

p. 119.13) IJKL� J. Mass Spectrom. Soc. Jpn., 57, 387 (2009).14) 2345� M#NOP� 42, 215 (1989).15) 2345� QRAM#� 57, 13 (1994).16) Y. Hatano, Phys. Rep., 313, 109 (1999).17) R. D. Levine and R. B. Bernstein, “Molecular Reaction

Dynamics and Chemical Reactivity,” Oxford Univ.Press, Oxford (1987).

18) M. Ukai, H. Yoshida, Y. Morishima, H. Nakazawa, K.Shinsaka, N. Kouchi, and Y. Hatano, J. Chem. Phys., 88,3623 (1988).

19) Y. Morishima, M. Ukai, N. Kouchi, and Y. Hatano, J.Chem. Phys., 96, 8187 (1992).

20) M. Kitajima, K. Hidaka, H. Kusumori, M. Ukai, N.Kouchi, and Y. Hatano, J. Chem. Phys., 100, 8072 (1994).

21) H. Koizumi, M. Ukai, Y. Tanaka, K. Shinsaka, and Y.Hatano, J. Chem. Phys., 85, 1937 (1986).

22) Y. Morishima, H. Yoshida, M. Ukai, K. Shinsaka, N.Kouchi, and Y. Hatano, J. Chem. Phys., 97, 3180 (1992).

23) H. Fukuzawa, M. Murata, N. Kiyoto, T. Mukai, Y. Fuku-chi, D. B. Khadka, M. Ukai, T. Odagiri, K. Kameta, N.Kouchi, and Y. Hatano, J. Chem. Phys., 118, 70 (2003).

24) A. Merz, M.-W. Ruf, H. Hotop, M. Movre, and W. Meyer,“The Physics of Electronic and Atomic Collisions,” ed.by T. Andersen, et al., AIP Press, New York (1994), p.852.

25) K. Katsuura, J. Chem. Phys., 42, 3771 (1965).26) T. Watanabe and K. Katsuura, J. Chem. Phys., 47, 800

(1967).27) T. Watanabe and M. Stener, J. Chem. Phys., 121, 9948

(2004).28) N. Kishimoto and K. Ohno, Int. Rev. Phys. Chem., 26, 93

(2007).29) K. Ohno, H. Mutoh, and Y. Harada, J. Am. Chem. Soc.,

105, 4555 (1983).30) K. Ohno, T. Takami, K. Mitsuke, and T. Ishida, J. Chem.

Phys., 94, 2675 (1991).31) H. Yoshida, M. Kitajima, H. Kawamura, K. Hidaka, M.

Ukai, N. Kouchi, and Y. Hatano, J. Chem. Phys., 98, 6190(1993).

32) S. Maeda, M. Yamazaki, N. Kishimoto, and K. Ohno, J.Chem. Phys., 120, 781 (2004).

Keywords: Penning-ionization cross section, De-excitationcross section, Electron-exchange interaction, Dipole-dipole in-teraction, Ionization quantum yield

M. Ukai

�404�