Mehrfachionisation

Mehrfachionisation bezeichnet die Abgabe von zwei oder mehr Elektronen aus einem Atom oder Molekül, wodurch ein mehrfach positiv geladene Ion entsteht. Sie tritt in heißen Plasmen, bei Strahlen- oder Teilchenkollisionen sowie in Experimenten der Spektroskopie und der Astrophysik auf, wo hoch geladene Ionen erzeugt und untersucht werden.

Die Mechanismen umfassen grob zwei Wege: sequentielle Ionisation, bei der nacheinander Elektronen entfernt werden, und direkte Mehrfachionisation, bei der in einem Stoß mehrere Elektronen gleichzeitig ausgeschlagen werden. Insbesondere nach der Entfernung einer äußeren oder inneren Hüllenelektronen entstehen oft Vakanzen, die durch Auger-Zerfälle oder durch Fluoreszenz aufgefüllt werden; dabei kann es zu weiteren Elektronenemissionen kommen und eine Kaskade ausgelöst werden. Shake-off- und Knock-out-Prozesse spielen vor allem bei Photoionisation oder Elektronenkollisionen eine Rolle und tragen zur Multielektronenionisation bei.

Energetisch steigen die Ionisationsenergien mit jeder weiteren Elektronentfernung, insbesondere bei inneren Schalen. Die resultierenden Ionisationszustände beeinflussen Spektren, γ- und Röntgenstrahlung sowie die Dynamik von Plasmen. Die charakteristischen Freiwilligkeiten von Auger- und Fluoreszenzprozessen bestimmen, wie sich Kaskaden fortsetzen und welche Emitteigenschaften auftreten. In heißen Astrophysik-Plasmen oder in Laboren mit Laser-Plasma-Interaktion entstehen so häufig hochgeladene Ionen.

Theoretisch wird Mehrfachionisation mit Rate-Gleichungen, Quantenmechanik und relativistischen Berechnungen modelliert. Wichtige Größen sind Ionisationsquellen, Querschnitte, Auger- und Fluoreszenzwahrscheinlichkeiten sowie Korrelationen zwischen Elektronen, insbesondere bei schweren Elementen. Anwendungen finden sich in der Spektroskopie, Plasmapflege, Massenspektrometrie und der Erforschung hoch ionisierter Zustände.