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이온화

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목차

1. 개요

이온화는 원자 또는 분자가 전자를 잃거나 얻어 이온으로 변환되는 현상이다. 이 과정은 원자가 전자를 방출하기 위한 에너지인 이온화 에너지와 관련이 있으며, 다양한 종류와 응용 분야를 갖는다. 이온화는 전자의 이동, 에너지에 의한 이온화, 용매, 결정, 기체 등 다양한 환경에서 발생하며, 형광등, 방사선 검출기, 질량 분석법, 방사선 치료 등 일상생활과 과학 기술 분야에서 널리 활용된다. 또한 공기 정화에도 사용되지만, 유해한 영향에 대한 연구도 진행되고 있다.

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이온화
이온화
설명원자나 분자가 전자를 얻거나 잃어 전하를 띠게 되는 과정
과정
원인전자기파와의 상호작용
입자와의 충돌
강한 전기장 또는 자기장
고온
방사성 붕괴
충돌 이온화입자 충돌에 의해 이온화되는 과정
양이온: 양성자, 양전자, 양이온
음이온: 전자, 음이온
광이온화광자와의 상호작용에 의해 이온화되는 과정
광자 에너지가 이온화 에너지보다 높아야 함
전계 이온화강한 전기장에 의해 이온화되는 과정
열이온화고온에 의해 이온화되는 과정
열적 에너지로 인한 전자 방출
전하 생성
양이온원자 또는 분자가 전자를 잃어 양전하를 띠게 됨
음이온원자 또는 분자가 전자를 얻어 음전하를 띠게 됨
관련 정보
이온화 에너지원자나 분자에서 전자를 떼어내는 데 필요한 최소 에너지
전자 친화도원자나 분자가 전자를 얻을 때 방출하는 에너지
플라즈마이온화된 기체 상태
응용
질량 분석분자 이온화를 통해 질량 분석 수행
핵물리학이온화 방사선 연구 및 활용
산업반도체 제조 공정
공기 청정기
살균
소독
우주과학우주 환경 연구 및 탐사

2. 이온화의 기본 원리

두 전극 사이에 생성된 전기장에서의 애벌런치 효과. 최초의 이온화 사건은 하나의 전자를 방출하고, 그 후의 각 충돌은 추가적인 전자를 방출하여 각 충돌에서 두 개의 전자가 나온다.


이온화는 중성 원자나 분자가 전자를 잃거나 얻어 전하를 띠는 이온이 되는 현상이다.

자유 전자가 원자와 충돌하여 전기적 퍼텐셜 장벽 내부에 갇히고, 초과 에너지를 방출하면 음이온[14]이 생성되는데, 이 과정을 전자 포획 이온화라고 한다. 양이온은 충전된 입자(이온, 전자, 양전자 등)나 광자와의 충돌로 전자에 에너지가 전달되어 생성된다. 이때 필요한 에너지의 임계량을 이온화 전위라고 한다. 이러한 충돌 연구는 물리학의 주요 미해결 문제 중 하나인 소수체 문제와 관련이 깊다. 모든 충돌 파편의 운동량 벡터를 결정하는 운동학적으로 완전한 실험[15]은 최근 소수체 문제에 대한 이론적 이해에 크게 기여했다.

2. 1. 전자의 이동

어느 중성 원자가 원자가 전자를 방출하고, 다른 중성 원자가 이것을 받아들이면서 전자의 이동이 일어난다. 전자를 받아들인 원자는 음전하를 띠어 음이온이 되고, 전자를 방출한 쪽은 양이온이 된다. 이때, 두 이온이 얻은 전하량은 이동한 전자가 가진 전하량(기본 전하의 정수배)과 같으며, 부호는 반대이므로 합은 0이 된다.

원자가 전자를 방출하려면, 원자핵이 쿨롱힘에 의해 전자를 전자 궤도에 속박시키는 힘에 필적하는 에너지가 필요하며, 이것을 이온화 에너지라고 부른다. 전자는 광자를 흡수하거나, 원자끼리의 충돌에 의해 에너지를 받아 들뜬 상태가 되고, 이온화 에너지를 넘으면 궤도를 벗어나 다른 원자의 궤도로 이동한다. 다른 원자의 전자 궤도에 들어간 전자는, 들뜬 만큼의 에너지를 방출해서 안정화된다.[14] [15]

2. 2. 이온화 에너지와 전자 친화도

원자가 전자를 방출하려면, 원자핵이 전기력(쿨롱 힘)에 의해서 전자를 전자궤도에 속박시키는 힘에 필적하는 에너지가 필요하며, 이것을 이온화 에너지라고 부른다.[14] 전자는 광자를 흡수하거나, 원자끼리의 충돌에 의해 에너지를 받아들여서 여기되고, 이온화 에너지를 넘으면 궤도를 벗어나 다른 원자의 궤도로 이동한다. 다른 원자의 전자 궤도에 들어간 전자는, 들뜬 만큼의 에너지를 방출해서 안정화된다.

중성 원소의 이온화 에너지 (104번 원소 이후는 예측값)


원자의 이온화 에너지 경향은 멘델레예프의 주기율표에 따라 원자를 배열하여 원자 번호에 대한 원자의 주기적 거동을 보여주는 데 자주 사용된다. 이것은 파동 함수나 이온화 과정의 세부 사항에 들어가지 않고도 원자 궤도함수에 있는 전자의 배열을 확립하고 이해하는 데 유용한 도구이다. 예를 들어, 비활성 기체 원자 이후 이온화 전위의 주기적인 급격한 감소는 알칼리 금속에서 새로운 껍질의 출현을 나타낸다. 또한, 이온화 에너지 그래프의 국소 최댓값은 한 행에서 왼쪽에서 오른쪽으로 이동하면서 s, p, d, f 부껍질을 나타낸다.

용액에서의 이온화 경향은 원소에 따라 이온화되기 쉬운 정도에 차이가 있음을 보여준다. 원자의 전자 배치에 따라 안정화 정도가 다르기 때문에, 들뜬 상태가 되는 데 필요한 이온화 에너지 값이나, 전자를 받아들일 때의 안정화 에너지인 전자 친화도 값은 원소의 종류나 이온화의 진행 상황에 따라 각각 다른 에너지 값을 갖는다.

원자는 전자 배치가 폐각(최외각 전자가 가득 참)이나 옥텟(최외각 전자가 8개)일 때 가장 안정되며(화학 반응을 하기 어려워진다), 중성 원자에서 이에 해당하는 것이 비활성 기체이다. 일반적으로 원자가 이온화할 때 방출하거나 받아들이는 전자의 수는 이온이 됨으로써 이 안정된 배치를 이룰 수 있는 수이다(대표 원소의 경우).

예를 들어 알칼리 금속은 양이온이 되기 쉽고 이온화 에너지도 작은데, 이는 비활성 기체보다 전자가 하나 더 많기 때문에 +1가의 이온이 되는 것이 더 안정하기 때문이다. 반대로 할로젠이나 칼코겐은 음이온이 되기 쉬운데, 이것도 비활성 기체보다 전자가 약간 적기 때문이다.

2. 3. 이온화 경향

용액 속에서의 이온화 경향은, 원소에 따라 이온화가 되기 쉬운 정도에 차이가 있는 것을 보여준다. 원자의 전자구조에 따라 안정화의 정도가 다르기 때문에, 들뜬 상태가 되는 데에 필요한 이온화 에너지값이나, 전자를 받아들일 때의 안정화 에너지인 전자 친화도값은, 원소의 종류나 이온화의 진행 상태에 따라 각각 다른 에너지값을 가진다.

원자는 전자배치가 폐각(최외각이 가득참)이나 옥텟(최외각이 8개)일 때 가장 안정된다(반응하기 어려워진다). 중성 원자에서 이것에 해당하는 것이 비활성 기체이며, 통상 원자가 이온화될 때에 방출 또는 받아들이는 전자의 수는, 이온이 되는 것으로 안정된 배치가 성립되는 수이다. (전형 원소의 경우)

원자의 이온화 에너지 경향은 멘델레예프의 주기율표에 따라 원자를 배열하여 원자 번호에 대한 원자의 주기적 거동을 보여주는 데 자주 사용된다. 이것은 파동 함수나 이온화 과정의 세부 사항에 들어가지 않고도 원자 궤도함수에 있는 전자의 배열을 확립하고 이해하는 데 유용한 도구이다. 오른쪽 그림에 예시가 나와 있다. 예를 들어, 비활성 기체 원자 이후 이온화 전위의 주기적인 급격한 감소는 알칼리 금속에서 새로운 껍질의 출현을 나타낸다. 또한, 이온화 에너지 그래프의 국소 최댓값은 한 행에서 왼쪽에서 오른쪽으로 이동하면서 s, p, d, f 부껍질을 나타낸다.

이를테면, 알칼리 금속은 양이온이 되기 쉽고, 이온화 에너지도 작지만, 이것은 비활성 기체보다 전자가 1개 많기 때문에, +1가 이온이 되는 쪽이 안정되기 때문이다. 반대로 할로겐이나 칼코겐은 음이온이 되기 쉽지만, 이것도 비활성 기체보다 전자가 약간 적기 때문이다.[1]

3. 이온화의 종류

이온화는 다양한 방식으로 일어날 수 있다.


  • 전자에 의한 이온화: 방전을 통해 기체를 이온화하거나, 분자에 직접 전자를 충돌시켜 이온화할 수 있다. Ni과 같은 핵 방사선을 이용하는 방법도 전자에 의한 이온화에 해당한다.
  • 에너지에 의한 이온화: 빛(자외선이나 레이저) 등으로 전자를 들뜨게 하여 이온화한다(흡광). 매트릭스 지원 레이저 탈착 이온화법(MALDI)과 같이 다양한 이온화 방법이 존재하며, 터널 효과를 이용한 이온화도 연구되고 있다.
  • 용매 속에서의 이온화: 극성 용매에서는 용매 분자와의 상호작용(용매화)으로 인해 이온결합 물질이 쉽게 이온화(해리)된다.
  • 결정 속에서의 이온화: 이온결정(結晶)은 이온 간의 정전적 상호작용으로 이온결합을 형성하며, 양이온과 음이온이 쌍을 이루어 전기적으로 중성인 규칙적인 구조를 가진다. 염화 나트륨이 대표적인 예시이다.

3. 1. 전자에 의한 이온화

방전을 통해 기체(공기 등)를 이온화하거나, 분자에 직접 전자를 충돌시켜 이온화할 수 있다. 질량분석법에서는 열전자 충격법이 자주 사용되며, 이는 화학 이온화법과 대비된다.[14] Ni과 같은 핵 방사선을 이용한 방법은 전자(베타선)에 의한 이온화이지만, 에너지에 의한 이온화이기도 하다.

자유 전자가 원자와 충돌한 후 전기적 퍼텐셜 장벽 내부에 갇히고, 초과 에너지를 방출할 때 음전하 이온이 생성된다. 이 과정을 전자 포획 이온화라고 한다.[14]

양전하 이온은 충전된 입자(예: 이온, 전자, 양전자) 또는 광자와의 충돌에서 결합된 전자에 에너지를 전달하여 생성된다. 필요한 에너지의 임계량을 이온화 전위라고 한다. 이러한 충돌에 대한 연구는 소수체 문제와 관련하여 기본적으로 중요한데, 이는 물리학에서 주요 미해결 문제 중 하나이다. 모든 충돌 파편(산란된 발사체, 반동 표적 이온, 방출된 전자)의 완전한 운동량 벡터가 결정되는 운동학적으로 완전한 실험[15]은 최근 몇 년 동안 소수체 문제에 대한 이론적 이해에 크게 기여했다.

타운젠드 방전은 이온 충돌로 인해 양이온과 자유 전자가 생성되는 좋은 예이다. 이것은 공기와 같이 이온화될 수 있는 기체 매질에서 충분히 높은 전기장이 있는 영역에서 전자를 포함하는 연쇄 반응이다. 초기 이온화 사건 이후, 양이온은 음극쪽으로 이동하는 반면 자유 전자는 장치의 양극쪽으로 이동한다. 전기장이 충분히 강하면 자유 전자는 다음 분자와 충돌할 때 추가 전자를 방출할 만큼 충분한 에너지를 얻는다. 그러면 두 개의 자유 전자가 양극으로 이동하고 다음 충돌이 발생할 때 충격 이온화를 일으킬 만큼 전기장으로부터 충분한 에너지를 얻고, 이 과정이 반복된다. 이것은 사실상 전자 생성의 연쇄 반응이며, 충돌 사이에 자유 전자가 충분한 에너지를 얻어 사태를 지속하는지 여부에 달려 있다.[17]

이온화 효율은 형성된 이온의 수와 사용된 전자 또는 광자의 수의 비율이다.[18][19]

고전 물리학과 원자의 보어 모형은 광전이온화와 충돌에 의한 이온화를 정성적으로 설명할 수 있다. 이 경우, 이온화 과정 동안 전자의 에너지는 통과하려는 퍼텐셜 장벽의 에너지 차이를 초과한다. 그러나 고전적인 설명은 전자가 고전적으로 허용되지 않는 퍼텐셜 장벽을 통과하는 과정을 포함하는 터널 이온화를 설명할 수 없다.

원자와 균일한 레이저장의 결합된 퍼텐셜. 거리 에서는 레이저의 퍼텐셜을 무시할 수 있고, 인 거리에서는 레이저 장의 퍼텐셜에 비해 쿨롱 퍼텐셜을 무시할 수 있다. 전자는 에서 장벽 아래로 나온다. 는 원자의 이온화 퍼텐셜이다.


터널 이온화는 양자 터널링으로 인한 이온화이다. 고전적인 이온화에서는 전자가 퍼텐셜 장벽을 넘을 만큼 충분한 에너지를 가져야 하지만, 양자 터널링을 통해 전자는 전자의 파동 특성으로 인해 퍼텐셜 장벽을 완전히 넘는 대신 단순히 통과할 수 있다. 전자가 장벽을 통과할 확률은 퍼텐셜 장벽의 폭에 따라 지수적으로 감소한다. 따라서 에너지가 더 높은 전자는 퍼텐셜 장벽을 더 높이 올라갈 수 있고, 통과해야 할 장벽이 훨씬 얇아지므로 그럴 가능성이 더 커진다. 실제로 터널 이온화는 원자 또는 분자가 근적외선 강 레이저 펄스와 상호 작용할 때 관찰할 수 있다. 이 과정은 레이저 장에서 하나 이상의 광자를 흡수하여 결합된 전자가 이온화되는 과정으로 이해할 수 있으며, 일반적으로 다광자 이온화(MPI)로 알려져 있다.

켈디시[28]는 MPI 과정을 원자의 기저 상태에서 볼코프 상태로의 전자 전이로 모델링했다.[29] 이 모델에서는 레이저 장에 의한 기저 상태의 섭동은 무시되고 이온화 확률을 결정하는 원자 구조의 세부 사항은 고려되지 않는다. 켈디시 모델의 가장 큰 어려움은 전자의 최종 상태에 대한 쿨롱 상호 작용의 영향을 무시한 것이다. 그림에서 볼 수 있듯이, 핵으로부터 더 먼 거리에서 레이저의 퍼텐셜에 비해 쿨롱 장의 크기가 매우 작지 않다. 이것은 핵 근처 영역에서 레이저의 퍼텐셜을 무시함으로써 이루어진 근사와 대조적이다. 페렐로모프 등[30][31]은 더 먼 핵간 거리에서 쿨롱 상호 작용을 포함했다. 그들의 모델(PPT 모델)은 단거리 퍼텐셜에 대해 도출되었으며 준고전적 작용에 대한 1차 보정을 통해 장거리 쿨롱 상호 작용의 효과를 포함한다. 라로셸 등[32]은 티타늄 사파이어 레이저와 상호 작용하는 희귀 기체 원자의 이온 대 강도 곡선에 대한 이론적으로 예측된 값을 실험 측정값과 비교했다. 그들은 PPT 모델이 예측한 총 이온화율이 켈디시 매개변수의 중간 영역에서 모든 희귀 기체에 대한 실험적 이온 수율과 매우 잘 일치한다는 것을 보여주었다.

이온화 퍼텐셜이 E_i 인 원자에서 주파수가 \omega 인 선형 편광 레이저의 MPI 비율은 다음과 같다.

:W_{PPT} =

\left|C_{n^* l^*}\right|^2 \sqrt{\frac{6}{\pi}} f_{lm}

E_i \left(\frac{2}{F} \left(2E_i\right)^{\frac{3}{2}}\right)^{2n^* - |m|- \frac{3}{2}}

\left(1 + \gamma^2\right)^{\left|\frac{m}{2}\right|+ \frac{3}{4}}

A_m (\omega, \gamma) e^{-\frac{2}{F}\left(2E_i\right)^{\frac{3}{2}} g\left(\gamma\right)}



여기서

  • \gamma=\frac{\omega \sqrt{2E_i}}{F} 는 켈디시 매개변수,
  • n^*=\frac{\sqrt{2E_i}}{Z^2} ,
  • F 는 레이저의 최대 전기장,
  • l^*=n^* - 1 이다.

계수 f_{lm} , g(\gamma) 및 C_{n^* l^*} 는 다음과 같다.

:\begin{align}

f_{lm} &= \frac{(2l + 1)(l + |m|)!}{2^m |m|!(l - |m|)!} \\

g(\gamma) &= \frac{3}{2\gamma} \left(1 + \frac{1}{2\gamma^2} \sinh^{-1}(\gamma) - \frac{\sqrt{1 + \gamma^2}}{2\gamma}\right) \\

|C_{n^* l^*}|^2 &= \frac{2^{2n^*}}{n^* \Gamma(n^* + l^* + 1) \Gamma(n^* - l^*)}

\end{align}

계수 A_m (\omega, \gamma)는 다음과 같다.

:

A_m (\omega, \gamma) =

\frac{4}{3\pi} \frac{1}

3. 2. 에너지에 의한 이온화

빛(자외선이나 레이저) 등으로 전자를 들뜨게 하여 이온화한다(흡광). 질량분석법에서는 이 외에도 다양한 이온화 수법이 쓰인다. 소프트이온화법의 매트릭스 지원 레이저 탈착 이온화법(MALDI)은 노벨상 관련 보도로 대중에게도 알려져 있다. 이 외에, 터널 효과에 의한 이온화도 연구되고 있다.

터널 이온화는 양자 터널링으로 인한 이온화이다. 고전적인 이온화에서는 전자가 퍼텐셜 장벽을 넘을 만큼 충분한 에너지를 가져야 하지만, 양자 터널링을 통해 전자는 전자의 파동 특성으로 인해 퍼텐셜 장벽을 완전히 넘는 대신 단순히 통과할 수 있다. 전자가 장벽을 통과할 확률은 퍼텐셜 장벽의 폭에 따라 지수적으로 감소한다. 따라서 에너지가 더 높은 전자는 퍼텐셜 장벽을 더 높이 올라갈 수 있고, 통과해야 할 장벽이 훨씬 얇아지므로 그럴 가능성이 더 커진다. 실제로 터널 이온화는 원자 또는 분자가 근적외선 강 레이저 펄스와 상호 작용할 때 관찰할 수 있다. 이 과정은 레이저 장에서 하나 이상의 광자를 흡수하여 결합된 전자가 이온화되는 과정으로 이해할 수 있으며, 일반적으로 다광자 이온화(MPI)로 알려져 있다.

준정적 터널 이온화(QST)는 \gamma 가 0에 접근할 때 PPT 모델의 극한[34]에 의해 그 비율을 만족스럽게 예측할 수 있는 이온화이다.

3. 3. 용매 중의 이온화

극성 용매 중에서는, 용매분자의 배향에 의한 용매화(溶媒和)가 일어나기 때문에, 이온결합 물질은 용이하게 이온화(해리)되고, 기체상이나 비극성 용매 중에서도 안정으로 존재한다. 용매분자를 배위하는 경우에는 보다 안정화된다.[8]

어떤 물질은 반드시 이온을 생성하지 않고도 해리될 수 있다. 예를 들어, 설탕 분자는 물에 해리되지만(설탕이 녹지만) 온전한 중성의 개체로 존재한다. 또 다른 미묘한 현상은 염화나트륨(식탁용 소금)이 나트륨과 염소 이온으로 해리되는 것이다. 이온화의 경우처럼 보일 수 있지만, 실제로 이온들은 이미 결정 격자 내에 존재한다. 소금이 해리될 때, 그 구성 이온들은 단순히 물 분자에 둘러싸이고 그 효과가 눈에 보인다(예: 용액이 전해질이 된다). 그러나 전자의 이동이나 변위는 발생하지 않는다.[8]

3. 4. 결정 중의 이온화

이온결정(結晶)은 이온 상호 간의 정전적 상호작용에 따라 이온결합되어, 양이온과 음이온이 쌍을 이루어 전기적으로 중성이 되는 규칙적인 결정 구조를 형성한다. 이온 결정은 전체적으로 균일하게 전하가 중화되어 안정화된다. 이때, 개개의 원자는 중성 분자의 이온화에 의해 전자 배치가 안정화되는 현상을 결정구조 내에서 실현하고 있다.

대표적인 예로 염화 나트륨이 있다. 염화 나트륨에서는 나트륨과 염소가 이온화하여 전자 하나를 주고받은 상태로 번갈아 배열됨으로써, 전기적으로나 화학적으로 안정적이다.[1]

염화 나트륨(식탁용 소금)이 나트륨과 염소 이온으로 해리되는 것은 이온화처럼 보일 수 있지만, 실제로 이온들은 이미 결정 격자 내에 존재한다. 소금이 해리될 때, 그 구성 이온들은 단순히 물 분자에 둘러싸이고 그 효과가 눈에 보인다(예: 용액이 전해질이 된다). 그러나 전자의 이동이나 변위는 발생하지 않는다.[1] 어떤 물질은 반드시 이온을 생성하지 않고도 해리될 수 있다. 예를 들어, 설탕 분자는 물에 해리되지만(설탕이 녹지만) 온전한 중성의 개체로 존재한다.[1]

4. 이온화의 응용

이온화 현상은 일상생활, 과학 기술, 환경 등 다양한 분야에서 활용된다.

1983년 이후, 강한 레이저 장에 노출된 원자의 비순차 이온화(NSI, Non-sequential ionization) 현상에 대한 많은 이론적, 실험적 연구가 진행되었다. L’Huillier 등은 Xe2+ 이온 신호 대 강도 곡선에서 "무릎" 구조를 관찰하는 선구적인 연구를 수행했다.[43] 비순차 이중 이온화는 단일 전하 이온의 포화 강도 이하에서 이중으로 하전된 이온의 생성 속도를 크게 증가시키는 과정을 말한다.

비순차 이온화를 설명하기 위해 셰이크오프(Shake-off) 모델과 전자 재산란(Electron Re-scattering) 모델이 제안되었다. 셰이크오프 모델은 레이저 장에 의해 하나의 전자가 이온화되고, 이 전자의 빠른 이탈로 인해 나머지 전자가 새로운 에너지 상태에 적응할 시간이 부족하여 추가적인 전자가 이온화되는 현상으로 설명한다.[46] 전자 재산란 모델은 전자가 터널 이온화된 후 레이저 장과 상호 작용하여 원자핵 중심에서 가속되고, 특정 위상에서 이온화된 경우 남아 있는 이온의 위치를 지나가며 전자 충돌을 통해 추가 전자를 방출하는 과정으로 설명한다.[47][48][49][50][51]

재산란 메커니즘을 통한 원자의 이중 이온화 과정에 대한 파인만 다이어그램


전자 재산란 모델 중 Kuchiev 모델은 양자역학적 접근 방식을 사용한다. 이 모델은 파인만 다이어그램을 통해 설명될 수 있는데, 먼저 두 전자가 원자의 바닥 상태에 있다가 전자 하나가 이온화되고, 이온화된 전자가 레이저 장에서 전파되면서 다른 광자를 흡수하고, 모 원자 이온과 충돌하여 추가적인 전자를 방출하는 과정을 나타낸다.[47]

4. 1. 일상생활

일상생활에서 기체 이온화의 예로는 형광등이나 다른 방전등이 있다. 또한 가이거-뮬러 계수기 또는 이온화 상자와 같은 방사선 검출기에도 사용된다.[12][13] 이온화 과정은 질량 분석법과 같은 기초 과학 및 방사선 치료와 같은 의료 치료 등 다양한 장비에 널리 사용된다. 또한 공기 정화에도 널리 사용되지만, 연구에 따르면 이 응용 분야의 유해한 영향이 있다.[12][13]

4. 2. 과학 기술

형광등이나 다른 방전등은 일상적인 기체 이온화의 예시이다. 가이거-뮐러 계수기나 이온화 상자와 같은 방사선 검출기에도 이온화 현상이 사용된다.[12] 이온화 과정은 질량 분석법과 같은 기초 과학 분야와 방사선 치료와 같은 의료 분야의 다양한 장비에 널리 사용된다.[12]

1983년 이후, 강한 레이저 장에 노출된 원자의 비순차 이온화(NSI) 현상에 대한 많은 이론적, 실험적 연구가 진행되었다. L’Huillier 등은 Xe2+ 이온 신호 대 강도 곡선에서 "무릎" 구조를 관찰하는 선구적인 연구를 수행했다.[43] 비순차 이중 이온화는 단일 전하 이온의 포화 강도 이하에서 이중으로 하전된 이온의 생성 속도를 크게 증가시키는 과정을 의미한다.

비순차 이온화를 설명하기 위해 셰이크오프(Shake-off) 모델과 전자 재산란(Electron Re-scattering) 모델이 제안되었다. 셰이크오프 모델은 레이저 장에 의해 하나의 전자가 이온화되고, 이 전자의 빠른 이탈로 인해 나머지 전자가 새로운 에너지 상태에 적응할 시간이 부족하여 추가적인 전자가 이온화되는 현상으로 설명한다.[46] 전자 재산란 모델은 전자가 터널 이온화된 후 레이저 장과 상호 작용하여 원자핵 중심에서 가속되고, 특정 위상에서 이온화된 경우 남아 있는 이온의 위치를 지나가며 전자 충돌을 통해 추가 전자를 방출하는 과정으로 설명한다.[47][48][49][50][51]

전자 재산란 모델 중 Kuchiev 모델은 양자역학적 접근 방식을 사용한다. 이 모델은 파인만 다이어그램을 통해 설명될 수 있는데, 먼저 두 전자가 원자의 바닥 상태에 있다가 전자 하나가 이온화되고, 이온화된 전자가 레이저 장에서 전파되면서 다른 광자를 흡수하고, 모 원자 이온과 충돌하여 추가적인 전자를 방출하는 과정을 나타낸다.[47]

강한 레이저장에서 다원자 분자의 분열은 내각 원자가 전자의 이온화에 의해 발생한다. 분자의 해리는 다광자 이온화, 빠른 무방사 전이, 그리고 다양한 분열 채널을 통한 이온의 해리라는 세 단계를 거친다.[54][55] 짧은 펄스로 유도된 분자 분열은 고성능 질량 분석법의 이온원으로 사용될 수 있으며, 특히 광학 이성질체 식별에 유용하다.[56][57]

4. 3. 환경

일상적인 기체 이온화의 예로는 형광등이나 다른 방전등이 있다. 또한 가이거-뮬러 계수기 또는 이온화 상자와 같은 방사선 검출기에도 사용된다. 이온화 과정은 질량 분석법과 같은 기초 과학 분야 및 방사선 치료와 같은 의료 분야의 다양한 장비에 널리 사용된다. 공기 정화에도 널리 사용되지만, 연구에 따르면 이 응용 분야에는 유해한 영향이 있다.[12][13]

5. 이온화 연구의 최신 동향 (대한민국 중심)

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5. 1. 반도체 및 디스플레이 산업

강한 레이저장에서 다원자 분자가 분열되는 현상은 내각 원자가 전자의 이온화 때문에 발생한다.[54][55] 정성적 모델에 따르면, 분자의 해리(분해)는 다음과 같은 세 단계를 거친다.

1. 분자 내부 궤도에 있는 전자가 다광자 이온화(MPI)되면서, 분자 이온이 들뜬 전자 상태의 회전-진동 준위를 갖게 된다.

2. 이후 빠른 무방사 전이가 일어나 낮은 전자 상태의 높은 회전-진동 준위로 이동한다.

3. 마지막으로, 이온은 다양한 분열 채널을 통해 여러 조각으로 해리된다.

짧은 펄스를 이용해 유도된 분자 분열은 고성능 질량 분석법에서 이온원으로 활용될 수 있다. 짧은 펄스 기반 이온원은 기존의 전자 이온화 기반 이온원보다 선택성이 뛰어나, 특히 광학 이성질체를 구별해야 할 때 유용하다.[56][57]

참조

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