Ionisationsprozessen

Ionisationsprozesse sind die Vorgänge, durch die Elektronen aus Atomen oder Molekülen herausgelöst werden, wodurch Ionen und freie Elektronen entstehen. Sie spielen eine zentrale Rolle in Plasmen, der astrophysikalischen und atmosphärischen Physik sowie in der analytischen Chemie und der Massenspektrometrie.

Die wichtigsten Mechanismen umfassen Photoionisation, bei der Photonen mit genügender Energie das Elektron herauslösen; Elektronenstoß-Ionisation (Elektroneneinfallsion), bei der ein beschleunigtes Elektron ein Zielatom trifft und Ionisation verursacht; Ionenkollisionen (Ion-Impact-Ionisation) durch Kollisionen mit Ionen; Feldionisation unter starkem externem Feld, das das Elektron tunneln oder herausdrängen lassen kann; sowie Autoionisation, bei der angeregte Zustände durch innere Prozesse Elektronen abgeben (z. B. Auger-Effekt). Mehrfachionisation kann auftreten, wenn mehrere Elektronen nacheinander entfernt werden.

Energetisch ist der Prozess durch das Ionisationspotential des Zielatoms oder -moleküls begrenzt; die benötigte Energie muss mindestens dem Ionisationsenergie entsprechen. Die Wahrscheinlichkeit eines Ionisationsvorgangs wird durch Querschnitte beschrieben, die stark von der Energie des eindringenden Teilchens oder Photons abhängen und von der Zielart abhängen. In der Praxis ergeben sich Ionisationsraten aus dem Produkt von Querschnitt und Flux des Teilchens oder Photons.

In vielen Umgebungen stehen Ionisation und Rekombination im Gleichgewicht, insbesondere in heißen Plasmen. Die Saha-Gleichung beschreibt das ionische Gleichgewicht unter thermischen Bedingungen, während in strahlungsreichen Regionen Photoionisationsraten oft durch Modellrechnungen bestimmt werden. Anwendungsfelder umfassen die Bestimmung von Ladungsträgerdichten in Plasmen, die Interpretation spektroskopischer Signaturen in Stern- und Nebelumgebungen sowie verschiedene Ionisationsmethoden in der Massenspektrometrie (z. B. Elektronenstoß ionisation, chemische Ionisierung).