Ionizacija je proces u kojim atom ili molekula dobijaju negativni ili pozitivni naboj dobivanjem ili gubitkom elektrona, često zajedno sa drugim hemijskim promjenama. Nastali električno nabijeni atom ili molekula nazivaju se ion. Ionizacija može nastati gubitkom elektrona nakon sudara sa subatomskim česticama, sudara s drugim atomima, molekulama i ionima ili interakcijom sa elektromagnetnim zračenjem. Heterolitičko cijepanje veze i heterolitske reakcije supstitucije mogu rezultirati stvaranjem ionskih parova. Ionizacija se može dogoditi radioaktivnim raspadanjem, procesom unutrašnje konverzije, u kojem pobuđeno jezgro prenosi svoju energiju na jedan od elektrona unutrašnje ljuske, zbog čega će biti izbačena.
Upotreba Svakodnevni primjeri ionizacije plina su poput fluorescentne lampe ili drugih lampi električnog pražnjenja. Također se koristi u detektorima zračenja kao što je Geiger-Müllerov brojač ili ionizaciona komora. Proces ionizacije se široko koristi u raznoj opremi u fundamentalnoj nauci (npr. masena spektrometrija) i u industriji (npr. zračna terapija).
Proizvodnja iona thumb|upright=1.65|Efekt lavine između dvije elektrode. Originalni događaj ionizacije oslobađa jedan elektron, a svaki sljedeći sudar oslobađa daljnji elektron, pa iz svakog sudara izlaze dva elektrona: ionizujući i oslobođeni elektron. Negativno nabijeni ioni nastaju kada se slobodni elektron sudari s atomom i potom zarobi unutar električne potencijalne barijere, oslobađajući sav višak energije. Proces je poznat kao ionizacija hvatanja elektrona.
Pozitivno nabijeni ioni nastaju prenošenjem određene količine energije na vezani elektron u sudaru sa nabijenim česticama (npr. ioni, elektroni ili pozitroni) ili sa fotonima. Prag potrebne količine energije poznat je kao potencijal ionizacije. Proučavanje takvih sudara od fundamentalne je važnosti s obzirom na problem malog tijela, što je jedan od glavnih neriješenih problema u fizici. Kinematski dovršeni eksperimenti, tj. eksperimenti u kojima se utvrđuje kompletan vektor impulsa svih fragmenata sudara (rasuti projektil, odmični cilj-ion i izbačeni elektron), doprinijeli su glavnom napretku u teorijskom razumijevanju problema malobrojnih tijela posljednjih godina.
Adijabatska ionizacija je oblik ionizacije u kojoj se elektron uklanja ili dodaje atomu ili molekuli u najnižem energetskom stanju da bi se formirao ion u njegovom najnižem energetskom stanju. Townsendovo pražnjenje dobar je primjer stvaranja pozitivnih iona i slobodnih elektrona uslijed sudara iona. To je kaskadna reakcija koja uključuje elektrone u području s dovoljno visokim električnim poljem u plinovitom mediju koji se može ionizirati, kao što je zrak. Nakon izvornog ionizacijskog događaja, kao što je ionizujuće zračenje, pozitivni ion zanosi se prema katodi, dok slobodni elektron odlazi prema anodi uređaja. Ako je električno polje dovoljno jako, slobodni elektron dobija dovoljno energije da oslobodi daljnji elektron kada se sljedeći sudari s drugom molekulom. Dva slobodna elektrona zatim putuju prema anodi i dobijaju dovoljno energije od električnog polja da izazovu ionizaciju udara, kada se dogode sljedeći sudari, i tako dalje. Ovo je u stvari lančana reakcija stvaranja elektrona.Glenn F Knoll. Radiation Detection and Measurement, third edition 2000. John Wiley and sons,
Efikasnost ionizacije je odnos broja nastalih iona prema broju korištenih elektrona ili fotona.
Ionizacijska energija atoma thumb|upright=2|Ionizacijske energije neutralnih elemenata Trend u energiji ionizacije atoma često se koristi za demonstriranje periodičnog ponašanja atoma, u odnosu na atomski broj, sažeto redanjem atoma u Mendeljejevljeve tabele. Ovo je dragocjen alat za uspostavljanje i razumijevanje uređenja elektrona u atomskim orbitalama, bez ulaska u detalje talasnih funkcija ili procesa ionizacije. Primjer je predstavljen na slici desno. Naprimjer, periodično naglo smanjenje potencijala ikonizacije, nakon atoma rijetkih plinova ukazuje na pojavu nove ljuske u alkalnim metalima. Pored toga, lokalni maksimumi u dijagramu ionizacijske energije, pomičući se slijeva udesno u nizu, indikativni su za s, p, d i f podljuske.
Poluklasični opis ionizacije Klasična fizika i Bohrov model atoma mogu kvalitativno objasniti fotoionizaciju i ionizaciju posredovanu sudarom. U tim slučajevima, tokom procesa ionizacije, energija elektrona premašuje energetsku razliku potencijalne barijere kroz koju pokušava da prođe. Poluklasični opis, međutim, ne može opisati tunelsku ionizaciju, jer proces uključuje prolazak elektrona kroz klasično zabranjenu potencijalnu barijeru.
Kvantno-mehanički opis ionizacije Interakcija atoma i molekula s dovoljno jakim laserskim impulsima dovodi do ionizacije na pojedinačno ili višestruko nabijene ione. Stopa ionizacije, tj. vjerovatnoća ionizacije u jedinici vremena, može se izračunati samo pomoću kvantne mehanike. Općenito, analitička rješenja nisu dostupna, a aproksimacije potrebne za upravljive numeričke proračune ne daju dovoljno precizne rezultate. Međutim, kada je intenzitet lasera dovoljno visok, detaljna struktura atoma ili molekule može se zanemariti i moguće je analitičko rješenje za brzinu ionizacije.
Tunelska ionizacija thumb|upright=1.5|Kombinirani potencijal atoma i jednoliko lasersko polje. Na udaljenostima r < r0, potencijal lasera može se zanemariti, dok na udaljenostima sa r > r0 Kulonov potencijal je zanemariv u poređenju sa potencijalom laserskog polja. Elektron izlazi ispod barijere na r = Rc. Ei je ionizacijski potencijal atoma.
Tunelska ionizacija je ionizacija uslijed kvantnog tuneliranja. U klasičnoj ionizaciji, elektron mora imati dovoljno energije da ga prenese preko potencijalne barijere, ali kvantno tuneliranje omogućava elektronu da jednostavno prođe kroz potencijalnu barijeru, umjesto da pređe preko nje zbog talasne prirode elektrona. Vjerovatnoća probijanja elektrona kroz barijeru eksponencijalno opada sa širinom potencijalne barijere. Prema tome, elektron s većom energijom može ga dalje podići prema potencijalnoj barijeri, ostavljajući mnogo tanju barijeru za prolaz kroz tunel i, samim tim, veće šanse za to. U praksi je tunelska oonizacija uočljiva kada atom ili molekula komuniciraju sa jakim laserskim impulsima u blizini infracrvene svjetlosti. Ovaj se proces može shvatiti kao postupak kojim se ograničeni elektron, apsorpcijom više od jednog fotona iz laserskog polja, ionizuje. Ova slika je općenito poznata kao multifotonska jonizacija (MPI).
Keldysh modelirao je MPI proces kao prijelaz elektrona iz osnovnog stanja atoma u Volkovljevo stanje.Volkov D M 1934 Z. Phys. 94 250 U ovom modelu zanemaruje se poremećaj osnovnog stanja laserskim poljem i detalji atomske strukture pri određivanju vjerovatnoće jonizacije nisu uzeti u obzir. Najveća poteškoća s Keldyshovim modelom bila je njegova zapostavljenost efekata Coulomb interakcije na konačno stanje elektrona. Kao što se vidi sa slike, Kulonovo polje nije jako male veličine, u poređenju sa potencijalom lasera na većim udaljenostima od jezgra. To je za razliku od aproksimacije napravljene zanemarivanjem potencijala lasera u regionima blizu jezgra. Perelomov et al. uključivali su Coulombovu interakciju na većim međuuklearnim udaljenostima. Njihov model (koji nazivamo PPT modelom) izveden je za potencijal kratkog dometa i uključuje učinak dalekometne Coulombove interakcije kroz korekciju prvog reda u kvaziklasičnom djelovanju. Larochelle et al. uporedili su teorijski predviđene krivulje iona i intenziteta atoma rijetkih plinova u interakciji s Ti: Safir laserskim eksperimentalnim mjerenjem. Pokazali su da se ukupna brzina ionizacije predviđena PPT modelom vrlo dobro uklapa u eksperimentalne prinose iona za sve rijetke plinove u srednjem režimu Keldyshovog parametra.
Brzina MPI na atomu sa potencijalom ionizacije in a linearly polarized laser with frequency is given by
gdje = Keldyshov parametar adijabateta, , = vrk električnog polja lasera, a . The coefficients , i dati su izrazom
Koeficijent dat je kao:
gdje je
Kvazistatička tunelska ionizacija Kvazistatično tuneliranje (QST) je ionizacija čiju brzinu na zadovoljavajući način može predvidjeti ADK model, tj. granica PPT modela kada približava se nuli. Stops QST data je izrazima
Poredeči sa izuzetan je nedostatak zbrajanja preko A-mjerača, koji predstavljaju različite vrhove ionizacije iznad praga (ATI).
Aproksimacija jakog polja za brzinu ionizacije Proračuni PPT vrše se u E-mjeraču, što znači da se lasersko polje uzima kao elektromagnetni talas. Stopa ionizacije također može se izračunati u gabaritu koji naglašava prirodu čestica svetlosti (apsorbujući više fotona tokom ionizacije). Ovaj pristup usvojio je Krainov model based on the earlier works of Faisal and Reiss. Rezultirajuće stope date su pomoću
gdje:
with = ponderomotivna energija, = minimalni broj fotona potrebnih za ionizaciju atoma, = dvostrula Besselova funkcija,
sa ugao između impulsa elektrona, p i električnog polja lasera, F, FT = trodimenzijska Fourierova transformacija, i = ugrađena Coulombova korekcija u SFA modelu.
Atomska stabilizacija/zarobljavanje populacije Pri izračunavanju brzine MPI atoma, uzimaju se u obzir samo prijelazi u stanja kontinuuma. Takva aproksimacija je prihvatljiva sve dok ne postoji multifotonska rezonancija između osnovnog stanja i nekih pobuđenih stanja. Međutim, u stvarnoj situaciji, interakcije sa impulsnim laserima, tokom evolucije intenziteta lasera, zbog različitog Starkovog pomaka tla i pobuđenih stanja, postoji mogućnost da neko pobuđeno stanje pređe u multifotonsku rezonancu sa osnovnim stanjem. Unutar slike odjevenog atoma, osnovno stanje odjeveno fotonima i rezonantno stanje izbjegavaju se križanjem pri intenzitetu rezonancije . Minimalna udaljenost, , na izbjegnutom prijelazu proporcionalna je generaliziranoj Rabijevoj frekvenciji , spregne dva stanja. Prema Story et al., vjerovatnoća da ostane u osnovnom stanju, , data je sa:
gdje je vremenski ovisna energetska razlika između dva vezana stanja. Ako se u interakciji s kratkim impulsom postigne dinamička rezonancija u rastućem ili padajućem dijelu pulsa, populacija praktično ostaje u osnovnom stanju i efekt multifotonskih rezonancija može se zanemariti. Međutim, ako stanja pređu u rezonanciju na vrhuncu impulsa, gdje je , tada je pobuđeno stanje popunjeno. Nakon što je naseljeno, budući da je ionizacijski potencijal pobuđenog stanja mali, očekuje se da će elektron biti trenutno ioniziran.
U 1992., de Boer i Muller pokazali su da atomi Xe, podvrgnuti kratkim laserskim impulsima mogu preživjeti u jako pobuđenim stanjima 4f, 5f i 6f. Vjerovalo se da su ta stanja pobuđena dinamičkim Starkovim pomicanjem nivoa u multifotonsku rezonanciju s poljem, tokom dizanja dijela laserskog impulsa. Naknadni razvoj laserskog impulsa nije u potpunosti ionizirao ova stanja, ostavljajući iza sebe neke jako pobuđene atome. Ovaj fenomen nazvan je "zarobljavanje populacije". right|thumb|Sema zarobljavanja populacije lambda tipa. G je osnovno stanje atoma. 1 i 2 su dva degenerirana pobuđena stanja. Nakon što se populacija prenese u neko stanje zbog multifotonske rezonancije, ta stanja se spajaju kroz kontinuum c i populacija je zarobljene u superpoziciji ovih stanja.