Fotonionisatie

Fotonionisatie is het proces waarbij een atoom of molecuul een elektron verliest door absorptie van een foton. De fotonenergie hv moet ten minste gelijk zijn aan de ionisatie-energie IE van het betrokken elektron. Na absorptie kan het elektron met kinetische energie KE uit het atoom ontsnappen, waarbij KE = hv − IE, en blijft het residuele deeltje als ion achter.

De kans op fotonionisatie wordt uitgedrukt in een fotonionisatie-doorsnede sigma(ω). Deze doorsnede hangt af van de fotonenergie en van de orbitalen waaruit het elektron wordt verwijderd. Vlak boven de drempel kan sigma variëren en resonantie-effecten kunnen optreden; bij röntgen- en ultraviolette straling geeft sigma waardevolle informatie over de elektronische structuur van het doelwit.

Er bestaan verschillende ionisatiekinetica. Bij lage intensiteit verloopt fotonionisatie via een enkel foton (single-photon ionization). Bij hogere intensiteiten of bij lagere fotonenenergie kunnen meerdere fotonen tegelijk nodig zijn (multiphotonionisatie). In extreem sterke velden kan ook tunnelingionisatie voorkomen; dit regime wordt vaak beschreven met theorieën zoals de Keldysh-parameter.

Toepassingen en belang: foto-elektronenspectroscopie maakt het mogelijk de elektronenschillen en bindingsomstandigheden in atomen en moleculen te bestuderen. In de astronomie en plasmaphysica bepaalt fotonionisatie de ionisatiebalans in gasvormige media en speelt het een cruciale rol bij H II-regio’s en de opwarming van interstellaire media. Experimenteel wordt fotonionisatie bestudeerd met ultraviolet, röntgen- of x-ray licht uit bronnen zoals synchrotronen en free-electron lasers, waarbij tegelijke detectie van elektronen en ionen verschillende informatie oplevert.

In de theoretische basis worden onder meer het foto-effect voor enkelvoudige fotonionisatie en, bij sterke velden, de multiphoton- en tunnelionisatie behandeld.