Фотоионизация

Образование ионов посредством взаимодействия фотона с молекулой или атомом

Фотоионизация — это процесс, который заставляет светиться ранее невидимые нити в глубоком космосе. ^[1]

Фотоионизация — это физический процесс, при котором ион образуется в результате взаимодействия фотона с атомом или молекулой . [ ^2]

Поперечное сечение

Не каждое взаимодействие фотона с атомом или молекулой приведет к фотоионизации. Вероятность фотоионизации связана с сечением фотоионизации вида — вероятностью события ионизации, концептуализированного как гипотетическая площадь поперечного сечения. Это сечение зависит от энергии фотона (пропорциональной его волновому числу) и рассматриваемого вида, т. е. оно зависит от структуры молекулярного вида. В случае молекул сечение фотоионизации можно оценить путем изучения факторов Франка-Кондона между молекулой в основном состоянии и целевым ионом. Это можно инициализировать путем вычисления колебаний молекулы и связанного катиона (пост-ионизация) с помощью квантово-химического программного обеспечения, например QChem. Для энергий фотонов ниже порога ионизации сечение фотоионизации близко к нулю. Но с развитием импульсных лазеров стало возможным создавать чрезвычайно интенсивный, когерентный свет, где многофотонная ионизация может происходить посредством последовательностей возбуждений и релаксаций. При еще более высоких интенсивностях (около 1015–1016 Вт/см2 ^{инфракрасного или} видимого света) наблюдаются невозмущающие явления, ^такие как ионизация с подавлением барьера ^[3] и ионизация с обратным рассеянием [ ^{4] .}

Многофотонная ионизация

Несколько фотонов с энергией ниже порога ионизации могут фактически объединить свои энергии для ионизации атома. Эта вероятность быстро уменьшается с числом требуемых фотонов, но разработка очень интенсивных импульсных лазеров все еще делает это возможным. В пертурбативном режиме (ниже примерно 10 ¹⁴ Вт/см ² на оптических частотах) вероятность поглощения N фотонов зависит от интенсивности лазерного света I как I ^N . ^[5] Для более высоких интенсивностей эта зависимость становится недействительной из-за возникающего в этом случае эффекта AC Штарка . ^[6]

Резонансно-усиленная многофотонная ионизация ( ^REMPI ) — это метод, применяемый в спектроскопии атомов и малых молекул , в котором перестраиваемый лазер может использоваться для доступа к возбужденному промежуточному состоянию . ^{[ необходима ссылка} ]

Ионизация выше порога (ATI) ^[7] является расширением многофотонной ионизации, при которой поглощается даже больше фотонов, чем фактически необходимо для ионизации атома. Избыточная энергия дает освобожденному электрону более высокую кинетическую энергию , чем в обычном случае ионизации чуть выше порога. Точнее, система будет иметь несколько пиков в своем фотоэлектронном спектре , которые разделены энергиями фотонов, что указывает на то, что испущенный электрон имеет большую кинетическую энергию, чем в случае обычной ионизации (наименьшее возможное число фотонов). Электроны, освобожденные от мишени, будут иметь приблизительно целое число энергий фотонов больше кинетической энергии. ^{[ необходима цитата ]}

Туннельная ионизация

Когда интенсивность лазера еще больше увеличивается или применяется более длинная длина волны по сравнению с режимом, в котором происходит многофотонная ионизация, может быть использован квазистационарный подход, который приводит к искажению атомного потенциала таким образом, что остается только относительно низкий и узкий барьер между связанным состоянием и состояниями континуума. Затем электрон может туннелировать через или для больших искажений даже преодолевать этот барьер. Эти явления называются туннельной ионизацией и ионизацией через барьер соответственно. ^{[ необходима цитата ]}

Смотрите также

• Источник ионов
• Радиолиз

Ссылки

1. "Hubble находит призраки квазаров прошлого". Пресс-релиз ESA/Hubble . Получено 23 апреля 2015 г.
2. IUPAC , Compendium of Chemical Terminology , 2nd ed. («Золотая книга») (1997). Онлайн-исправленная версия: (2006–) «фотоионизация». doi :10.1351/goldbook.P04620
3. Делоне, Н.Б.; Крайнов, В.П. (1998). "Туннельная и надбарьерная ионизация атомов и ионов в поле лазерного излучения". Успехи физических наук . 41 (5): 469–485. Bibcode :1998PhyU...41..469D. doi :10.1070/PU1998v041n05ABEH000393. S2CID  94362581.
4. Dichiara, A.; et al. (2005). "Конференция по квантовой электронике и лазерной науке 2005 года". Труды конференции по квантовой электронике и лазерной науке . Том 3. Оптическое общество Америки . стр. 1974–1976. doi :10.1109/QELS.2005.1549346. ISBN 1-55752-796-2.
5. Дэн, З.; Эберли, Дж. Х. (1985). «Многофотонное поглощение выше порога ионизации атомами в сильных лазерных полях». Журнал Оптического общества Америки B. 2 ( 3): 491. Bibcode : 1985JOSAB...2..486D. doi : 10.1364/JOSAB.2.000486.
6. Protopapas, M; Keitel, CH; Knight, PL (1 апреля 1997 г.). «Атомная физика с лазерами сверхвысокой интенсивности». Reports on Progress in Physics . 60 (4): 389–486. Bibcode : 1997RPPh...60..389P. doi : 10.1088/0034-4885/60/4/001. S2CID  250856994.
7. Agostini, P.; et al. (1979). «Свободно-свободные переходы после шестифотонной ионизации атомов ксенона». Physical Review Letters . 42 (17): 1127–1130. Bibcode : 1979PhRvL..42.1127A. doi : 10.1103/PhysRevLett.42.1127 .

Дальнейшее чтение

• Уве Беккер; Дэвид Аллен Ширли (1 января 1996 г.). ВУФ и мягкая рентгеновская фотоионизация. Springer Science & Business Media. ISBN 978-0-306-45038-9.
• Cheuk-Yiu Ng (1991). Вакуумная ультрафиолетовая фотоионизация и фотодиссоциация молекул и кластеров. World Scientific . ISBN 978-981-02-0430-3.
• Джозеф Берковиц (1979). Фотопоглощение, фотоионизация и фотоэлектронная спектроскопия. Academic Press . ISBN 978-0-12-091650-4.
• В. С. Летохов (1987). Лазерная фотоионизационная спектроскопия. Academic Press. ISBN 978-0-12-444320-4.