Photoionisierung

Photoionisierung, auch als Photoionisation bezeichnet, ist ein physikalischer Prozess, bei dem ein Atom, Molekül oder Ion durch die Absorption eines Photons ein oder mehrere Elektronen verliert und dadurch zu einem positiv geladenen Ion wird. Das notwendige Photon muss eine Energie besitzen, die mindestens der Ionisationsenergie des betreffenden Teilchens entspricht; häufig handelt es sich dabei um ultraviolettes Licht, Röntgenstrahlung oder hochenergetische Laserquellen.

Der Vorgang lässt sich quantenmechanisch beschreiben: Das einfallende Photon bewirkt einen Übergang des Elektrons von einem gebundenen in einen ungebundenen Zustand, wobei die Energie des Photons in die kinetische Energie des freigesetzten Elektrons und in die mögliche Anregung des Ions übergeht. In einfachen Systemen kann die Photoionisationswahrscheinlichkeit durch die Photoionisationskreuzsektion angegeben werden, die von der Wellenlänge des Lichts und den elektronischen Strukturen des Zielobjekts abhängt.

Historisch wurden die ersten Beobachtungen der Photoionisierung im frühen 20. Jahrhundert im Zusammenhang mit der Analyse von Gasentladungen und dem fotoelektrischen Effekt gemacht. Mit der Entwicklung von synchrotronbasierten Lichtquellen und femtosekundenlasern konnten heute detailreiche Messungen von Ionisationsenergie, elektronischer Struktur und dynamischen Prozessen in Atomen, Molekülen und Festkörpern durchgeführt werden.

Anwendungen finden sich in der astronomischen Spektroskopie, wo Photoionisierung von interstellarem Gas Aufschluss über die chemische Zusammensetzung und die Strahlungsfelder liefert, sowie in der Analytik (z. B. Photoionisations-Massenspektrometrie) und in der Plasmaphysik, wo die Kontrolle von Ionisationsraten für die Erzeugung und Stabilisation von Plasmen entscheidend ist. Die Erforschung von Mehrphotonen‑Photoionisierung hat zudem zur Entwicklung von Techniken der ultrafast‑Laser‑Spektroskopie beigetragen.