ionitörmäyksiä

Ionitörmäykset ovat vuorovaikutuksia, joissa ionit tai ioni ja neutraali atomi tai molekyyli törmäävät toisiinsa. Törmäykset ovat keskeisiä plasmaprosesseissa, kaasufaasin reaktioissa sekä massaspektrometriassa, ja ne vaikuttavat siihen, miten energia ja ainemäärät jakaantuvat sekä miten kemialliset reaktiot edistyvät.

Tyypit ja tulokset. Törmäykset voidaan jakaa elastisiin ja inelastisiin. Elastisessa törmäyksessä kineettinen energia säilyy suurin piirtein, ja ainoat muutokset ovat suuntaan ja liikkeen suunnan muutokset. Inelastisessa törmäyksessä sisäiset tilat voivat muuttua, elektronien viritys tapahtua tai molekyyli voi reagoi kemiallisesti. Ion-ion-törmäykset vaikuttavat pääasiassa energiansiirtoon ionsessioissa, kun taas ion-neutraalien törmäykset voivat johtaa virroitukseen, muunteluun tai kemiallisiin reaktioihin, kuten varausvaihtoon tai protoninsiirtoon.

Käsite- ja mittausperusteet. Törmäyksen todennäköisyyttä kuvataan ristipinta-alarajana (cross section) sekä sen suhdetta törmäysnopeuteen. Keskimääräinen törmäyskertojen määrä riippuu tiheydestä ja nopeudesta. Pitkän kantaman sähköinen vuorovaikutus plasmoissa selittyy Coulombin voimalla, ja plasman Debyën-pituus rajoittaa pitkän kantaman vaikutusta. Alueilla, joissa ei dominoi Coulomb-voima, kvantti- tai van der Waals-tyyppiset vuorovaikutukset voivat olla keskeisiä.

Tutkimus ja sovellukset. Ionitörmäysten perusmekanismeja tutkitaan kokein ionipaidan ja trapin avulla sekä plasmaprosesseissa käytettävissä diagnostiikkamenetelmissä. Teoriassa käytetään klassisia ja kvanttisfääräisiä malleja sekä Boltzmannin yhtälöitä; Langevinin lähestymistavat antavat usein hyödyllisiä reaktio- ja törmäyskertoimia. Sovelluksia ovat muun muassa fuusio- ja materiaaliprosessit sekä ioniterapiaan liittyvät hoitomuodot.