Ladezustandsverteilung

Ladezustandsverteilung ist der Begriff für die Verteilung der Ladungszustände von Ionen eines Elements in einem Gas, Plasma oder anderen Ionisations- und Rekombinationssystem. Sie gibt an, welcher Anteil der Ionen sich in jedem möglichen Ladezustand q befindet, typischerweise q = 0 bis Z, wobei Z die Ordnungszahl des Elements ist. Die Größen f_q beschreiben die Fractions, und die Summe aller f_q ist gleich 1. Die Verteilung ist ein zentrales Beschreibungsinstrument in Plasmen, bei Ionisationsprozessen in der Materie, in der Beschleunigertechnik sowie in der Spektroskopie.

Die Ladezustandsverteilung entsteht durch das Zusammenspiel von Ionisation (Zustand q zu q+1) und Rekombination (q zu q-1). In dem meist verwendeten Gleichgewichtszustand gilt eine Bilanz: 0 = n_e S_{q-1} f_{q-1} + α_{q+1} f_{q+1} − (n_e S_q + α_q) f_q. Dabei ist n_e die Elektronendichte, S_q die Ionisationsrate vom Zustand q zum q+1 und α_q die Rekombinationsrate vom Zustand q zu q-1. Zusätzlich gilt die Normierung Σ_q f_q = 1. In realen Systemen müssen oft weitere Prozesse wie Anregung, Photonenwechsel oder Strahlung berücksichtigt werden. Die Verteilung hängt stark von der Elektronentemperatur T_e, der Dichte n_e und dem Strahlungsfeld ab.

Anwendungen finden sich in der Astrophysik (Spektrenanalysis und Temperatur-/Dichteableitungen), in der Fusionstechnik (Diagnostik von Plasmen) sowie in der Beschleunigerphysik (Beurteilung von Ladungszuständen nach Stripping). Modelldienste und Codes wie collisional-radiative Modelle, CHIANTI, CLOUDY oder ADAS unterstützen die Berechnung von LZV unter konkreten Bedingungen.