이온화

이온화는 전기적으로 중성인 원자나 분자가 화학적 변화와 함께 전자를 얻거나 잃음으로써 음전하 또는 양전하를 가진 이온으로 만드는 조작이다. 전기적으로 전자를 얻거나 잃은 원자 또는 분자를 이온이라고 하는데, 이온화는 아원자 입자와의 충돌, 다른 원자, 분자, 이온과의 충돌 또는 전자기 방사선과 상호작용을 통해 전자를 상실함으로써 발생할 수 있다.

이온화의 예를 들면, 하나의 중성원자가 원소를 방출하고, 다른 중성원자가 이를 수용하며, 전자의 이동이 일어나는 경우가 있다. 전자를 받아들이는 원자는 음전하를 띠고 음이온이 되는 반면, 전자를 방출하는 원자는 양전하를 띠고 양이온이 된다. 이 때, 두 이온이 얻는 전하량은 이동한 전자의 전하량과 같고, 부호는 반대가 되어 전하의 합은 0이 된다.

그림 1. 두 전극 사이의 전자사태 효과 (avalanche effect). ()

원자가 전자를 내보내기 위해서는 에너지를 필요로 하는데, 이 에너지는 원자핵이 전자를 전자 궤도에 잡아놓는 힘과 같거나 더 커야한다. 전자를 방출시키기 위한 에너지를 이온화 에너지라고 하며, 전자는 광자를 흡수하거나 원자의 충돌에 의해 전자가 여기 상태가 되면 이온화 에너지보다 더 커지게 되면서 전자는 궤도를 벗어나 방출된다. 방출된 전자는 다른 원자의 전자 궤도에 들어갈 수 있고, 들뜬 만큼의 에너지를 방출함으로써 안정된다.

그림 2. 중성 전자들의 이온화 에너지 ()

이온화에 대한 준고전적(semi-classical) 설명

고전물리학과 원자의 보어 모델 (Bohr model)은 광(光)이온화와 충돌로 인한 이온화를 정성적으로 설명할 수 있다. 이 경우 이온화 과정에서의 전자 에너지는 전자가 통과하려고 하는 전위 장벽 에너지보다 더 크다. 그러나 이러한 준고전적인 설명에서는 전자가 전위 장벽을 통과할 수 없기 때문에 터널 이온화 (tunnel ionization)를 설명할 수 없다.

이온화에 대한 양자역학적(quantum mechanical) 설명

충분히 강한 레이저 펄스 (laser pulse)와 원자 혹은 분자와의 상호작용은 이온화로 연결되어 전하를 띤 이온 한 개 혹은 여러 개를 만들 수 있다. 이온화 속도, 즉 단위 시간 동안 이온화 확률은 양자역학적 계산을 통해서만 얻을 수 있으며, 일반적으로 해석적 해 (analytic solution)은 사용할 수 없고, 수치 계산으로 다룰 수 있는 근사값은 이온화 속도에 대한 충분한 결과를 제공할 수 없다. 그러나 레이저의 세기가 충분히 크면 원자나 분자의 상세한 구조를 무시할 수 있으며 이온화 확률에 대한 해석적 해를 사용할 수 있다.

터널 이온화 (Tunnel ionization)

터널 이온화는 양자 터널링에 의한 이온화를 의미한다. 고전적인 이온화에서 전자는 전위 장벽을 넘어설 수 있는 충분한 에너지를 가지고 있어야 하지만, 양자 터널링에서는 전자의 파동성을 이용하여 전위 장벽을 넘어 이동하는 것 대신 장벽을 통과하여 이동할 수 있다. 전위 장벽을 통과하는 전자의 터널링 확률은 전위 장벽의 폭과 함께 지수 함수의 형태로 감소한다. 따라서 더 높은 에너지를 가진 전자는 전위 장벽을 더 높은 확률로 통과할 수 있다. 실제로 터널 이온화는 세기가 큰 근적외선 레이저와 원자, 혹은 분자와 상호작용할 때 관찰할 수 있다. 이 과정은 레이저 장 (laser field)에서 둘 이상의 광자를 흡수하여 속박된 전자가 이온화되는 과정으로 이해할 수 있다. (그림 3)은 다광자 이온화 (multiphoton ionization, MPI)를 나타낸다.

그림 3. 원자와 레이저 장의 전위 그래프. @@NAMATH_INLINE@@r@@NAMATH_INLINE@@ @@NAMATH_INLINE@@r_{0}@@NAMATH_INLINE@@ 거리에서는 레이저 장에 비해 쿨롱 전위를 무시할 수 있음. ()