광이온화
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1. 개요
광이온화는 광자가 원자 또는 분자와 상호작용하여 전자를 방출하는 현상이다. 광이온화 확률은 광이온화 단면적과 관련되며, 이는 광자의 에너지와 분자 구조에 따라 달라진다. 이온화 임계값보다 낮은 에너지의 광자는 광이온화를 일으키기 어렵지만, 강력한 펄스 레이저를 사용하면 다광자 이온화가 발생할 수 있다. 다광자 이온화는 여러 개의 광자가 에너지를 합쳐 원자를 이온화하는 현상으로, 공명 증강 다광자 이온화(REMPI)와 임계 이상 이온화(ATI)가 있다. 레이저 세기가 높을 경우 터널 이온화 및 장벽 억제 이온화 현상이 나타날 수 있다.
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- 전리 - 이온화
이온화는 중성 원자가 전자를 잃거나 얻어 이온이 되는 과정으로, 전자 이동을 통해 양이온 또는 음이온이 되며, 이온화 에너지, 전자 충돌, 광자 흡수 등의 요인과 관련되어 질량 분석법, 방사선 검출 등에 응용된다. - 전리 - 전리수소영역
전리수소영역은 OB 별과 같은 고온의 젊은 별에 의해 이온화된 수소를 주성분으로 하는 발광 성운으로, 별 탄생 장소이며 나선팔에서 주로 발견되고 자외선 복사에 의해 붉은색 방출선을 방출한다. - 분광학 - 에너지 준위
에너지 준위는 양자 역학적 계에서 입자가 가질 수 있는 특정 에너지 값으로, 원자 내 전자의 양자화된 에너지 상태를 나타내며 분자에서는 전자, 진동, 회전 에너지 준위가 존재하고, 에너지 준위 간 전이는 광자의 흡수 또는 방출을 수반한다. - 분광학 - 아인슈타인 계수
아인슈타인 계수는 원자의 자발 방출(A21), 유도 방출(B21), 광자 흡수(B12) 세 가지 광-물질 상호작용을 기술하는 확률 계수로서, 원자 스펙트럼선의 형태와 세기를 결정하고 분광학, 레이저 물리학에서 활용된다.
| 광이온화 | |
|---|---|
| 광이온화 개요 | |
| 설명 | 광자가 원자와 상호 작용하여 이온을 형성하는 과정 |
| GoldBook 정의 | 원자 또는 분자가 광자 흡수 후 전자를 방출하는 과정 |
| 관련 용어 | 광전 효과, 오제 효과 |
| 과정 상세 | |
| 기본 원리 | 충분한 에너지를 가진 광자가 원자 또는 분자에 충돌하면 전자를 방출시켜 이온화됨 |
| 광자 에너지 | 이온화를 일으키기 위해서는 광자 에너지가 이온화 에너지보다 커야 함 |
| 다광자 이온화 (Multi-photon ionization) | 여러 개의 광자를 동시에 흡수하여 이온화가 일어나는 과정 |
| 장벽 억제 이온화 (Barrier suppression ionization) | 강한 전기장 하에서 원자의 포텐셜 장벽이 낮아져 이온화가 촉진되는 현상 |
| 재산란 이온화 (Rescattering ionization) | 강한 레이저장에서 방출된 전자가 다시 원자핵과 상호작용하여 이온화되는 현상 |
| 단광자 이온화 | |
| 이온화 에너지 | 광이온화에 필요한 최소 광자 에너지 |
| 광이온화 단면적 | 광이온화가 일어날 확률을 나타내는 값 |
| 광이온화 단면적 계산 | 페르미 황금률 등을 이용하여 계산 가능 |
| 광이온화 강도 | 광자의 개수 밀도를 나타내는 물리량 |
| 적용 및 활용 | |
| 천문학 | 퀘이사의 스펙트럼 분석 등에 활용 |
| 플라즈마 연구 | 플라즈마 생성 및 특성 연구에 활용 |
| 질량 분석법 | 광이온화 질량 분석법에 사용 |
| 레이저 물리학 | 레이저와 물질 상호작용 연구에 활용 |
| 추가 정보 | |
| 비섭동 | 강한 레이저장과 같은 특정 조건에서는 섭동 이론으로 설명하기 어려운 비섭동 현상이 발생 가능 |
| 광이온화의 역사 | 알버트 아인슈타인의 광전 효과 연구에서 시작 |
2. 광이온화 단면
광이온화 단면은 광자와 원자 또는 분자가 상호작용하여 이온화될 확률을 나타내는 가상의 단면적이다. 이 단면적은 광자의 에너지와 상호작용하는 물질의 종류에 따라 달라진다.[16] 이온화 임계값보다 낮은 에너지의 광자는 광이온화를 거의 일으키지 않지만, 펄스 레이저를 사용하면 다광자 이온화가 가능하다. 매우 높은 강도의 빛에서는 장벽 억제 이온화[3] 및 재산란 이온화[4]와 같은 현상도 관찰된다.
2. 1. 광이온화 확률
광자와 원자 또는 분자 사이의 모든 상호작용이 광이온화로 이어지는 것은 아니다. 광이온화 확률은 종의 광이온화 단면적과 관련된다. 광이온화 단면적은 이온화 사건의 확률을 가상 단면적으로 개념화한 것이다. 이 단면적은 광자의 에너지(파수에 비례)와 고려되는 종, 즉 분자 종의 구조에 따라 달라진다. 분자의 경우, 광이온화 단면적은 바닥 상태 분자와 표적 이온 사이의 프랭크-콘돈(Franck-Condon) 인자를 조사하여 추정할 수 있다. 이는 QChem과 같은 양자 화학 소프트웨어를 사용하여 분자의 진동 및 관련 양이온(이온화 후)을 계산하여 초기화할 수 있다. 이온화 임계값보다 낮은 광자 에너지의 경우 광이온화 단면적은 0에 가깝다. 그러나 펄스 레이저의 개발로 일련의 여기와 이완을 통해 다광자 이온화가 발생할 수 있는 극도로 강렬하고 응집성 있는 빛을 생성하는 것이 가능해졌다. 훨씬 더 높은 강도(적외선 또는 가시광선의 약 1015 – 1016 W/cm2)에서는 ''장벽 억제 이온화''[16] 및 ''재산란 이온화''[17]와 같은 비교란 현상이 관찰된다.2. 2. 프랭크-콘돈 인자
광자와 원자 또는 분자 사이의 모든 상호작용이 광이온화로 이어지는 것은 아니다. 광이온화 확률은 종의 광이온화 단면적과 관련된다. 이 단면적은 광자의 에너지(파수에 비례)와 고려되는 종에 따라 달라진다. 즉, 분자 종의 구조에 따라 달라진다. 분자의 경우, 바닥 상태 분자와 표적 이온 사이의 프랭크-콘돈(Franck-Condon) 인자를 조사하여 광이온화 단면적을 추정할 수 있다. 이는 QChem과 같은 양자 화학 소프트웨어를 사용하여 분자의 진동 및 관련 양이온(이온화 후)을 계산하여 초기화할 수 있다.[16] 이온화 임계값보다 낮은 광자 에너지의 경우 광이온화 단면적은 0에 가깝다. 그러나 펄스 레이저의 개발로 일련의 여기와 이완을 통해 다광자 이온화가 발생할 수 있는 극도로 강렬하고 응집성 있는 빛을 생성하는 것이 가능해졌다. 훨씬 더 높은 강도(적외선 또는 가시광선의 약 – 1P)에서는 ''장벽 억제 이온화''[17] 및 ''재산란 이온화''와 같은 비교란 현상이 관찰된다.2. 3. 광자 에너지와 광이온화 단면
광자와 원자 또는 분자 사이의 모든 상호작용이 광이온화로 이어지는 것은 아니다. 광이온화 확률은 종의 광이온화 단면적과 관련이 있는데, 이는 가상 단면적으로 개념화된 이온화 사건의 확률이다. 이 단면적은 광자의 에너지(파수에 비례)와 고려되는 종, 즉 분자 종의 구조에 따라 달라진다. 분자의 경우, 바닥 상태 분자와 표적 이온 사이의 프랭크-콘돈(Franck-Condon) 인자를 조사하여 광이온화 단면적을 추정할 수 있다. 이는 QChem과 같은 양자 화학 소프트웨어를 사용하여 분자의 진동 및 관련 양이온(이온화 후)을 계산하여 초기화할 수 있다. 이온화 임계값보다 낮은 광자 에너지의 경우 광이온화 단면적은 0에 가깝다. 그러나 펄스 레이저의 개발로 일련의 여기와 이완을 통해 다광자 이온화가 발생할 수 있는 극도로 강렬하고 응집성 있는 빛을 생성하는 것이 가능해졌다. 훨씬 더 높은 강도(적외선 또는 가시광선의 약 – )에서는 ''장벽 억제 이온화''[16] 및 ''재산란 이온화''[17]와 같은 비교란 현상이 관찰된다.3. 다광자 이온화
광자와 원자 또는 분자 사이의 모든 상호작용이 광이온화로 이어지는 것은 아니다. 광이온화 확률은 종의 광이온화 단면적과 관련이 있는데, 이는 이온화 사건의 확률을 가상 단면적으로 개념화한 것이다. 이 단면적은 광자의 에너지(파수에 비례)와 고려되는 종, 즉 분자 종의 구조에 따라 달라진다. 분자의 경우, 바닥 상태 분자와 표적 이온 사이의 프랭크-콘돈(Franck-Condon) 인자를 조사하여 광이온화 단면적을 추정할 수 있다. 이는 QChem과 같은 양자 화학 소프트웨어를 사용하여 분자의 진동 및 관련 양이온(이온화 후)을 계산하여 초기화할 수 있다.
이온화 임계값보다 낮은 광자 에너지의 경우 광이온화 단면적은 0에 가깝다. 그러나 펄스 레이저의 개발로 일련의 여기와 이완을 통해 다광자 이온화가 발생할 수 있는 극도로 강렬하고 응집성 있는 빛을 생성하는 것이 가능해졌다. 훨씬 더 높은 강도에서는 '장벽 억제 이온화'[16] 및 '재산란 이온화'[17]와 같은 비섭동 현상이 관찰된다.
3. 1. 다광자 이온화 확률
이온화 한계점 이하의 에너지를 가진 여러 광자가 에너지를 합쳐 원자를 이온화할 수 있다. 이 확률은 필요한 광자 수에 따라 급격히 감소하지만, 매우 강력한 펄스 레이저의 개발로 가능해졌다. 섭동 영역(광학 주파수에서 약 이하)에서 ''N''개의 광자를 흡수할 확률은 레이저 광 강도 ''I''에 따라 ''I''''N''으로 의존한다.[5] 더 높은 강도에서는 교류 스타크 효과로 인해 이러한 의존성이 무효화된다.[6]공명 증강 다광자 이온화(REMPI)는 분광법에서 원자 및 소형 분자에 적용되는 기술로, 가변 레이저를 사용하여 여기된 중간 상태에 접근할 수 있다.
임계 이상 이온화(ATI)는[7] 원자를 이온화하는 데 실제로 필요한 것보다 더 많은 광자가 흡수되는 다광자 이온화의 확장이다. 과잉 에너지는 방출된 전자에 일반적인 임계값 바로 위 이온화의 경우보다 더 높은 운동 에너지를 제공한다. 더 정확히 말하면, 시스템은 광자 에너지로 분리된 광전자 스펙트럼에 여러 피크를 가지게 되는데, 이는 방출된 전자가 정상적인(가능한 최소 광자 수) 이온화의 경우보다 더 높은 운동 에너지를 갖고 있음을 나타낸다. 표적에서 방출된 전자는 대략 정수 개의 광자 에너지에 해당하는 더 높은 운동 에너지를 갖는다.
개별적으로는 이온화 임계값을 밑도는 에너지밖에 가지고 있지 않은 여러 개의 광자가 실제로는 원자를 이온화하기 위해 에너지를 합쳐서 사용할 수 있다. 그 확률은 필요한 광자의 수가 증가함에 따라 급격히 감소한다. 하지만, 고강도 펄스 레이저의 발전에 따라 실현 가능해졌다. 섭동 영역(광학적인 각 진동수에서 대략 이하)에서 ''N''개의 광자를 흡수하는 확률 ''P''는, 레이저 광 강도를 ''I''로 했을 때, ''I''의 ''N''제곱에 비례한다(''P'' ∝ ''I''''N'')[12]
'''초임계 이온화'''(above-threshold ionization영어; ATI)[13]는 다광자 이온화의 확장이며, 원자의 이온화에 실제로 필요한 수보다 많은 광자를 흡수하는 현상이다. 그 초과 에너지에 의해 방출 전자는 임계값 직상의 에너지에 의한 이온화와 같은 일반적인 경우보다 높은 운동 에너지를 가지게 된다. 더 정확히 말하면, 광전자 스펙트럼(광전자의 운동 에너지에 대한 개수·빈도의 분포)에 광자의 에너지에 상당하는 간격을 두고 여러 개의 피크가 보인다. 이것은 방출 전자가 일반적인(가능한 최소 개수의 광자에 의한) 이온화의 경우보다 큰 운동 에너지를 가지고 있다는 것을 시사한다.
3. 2. 공명 증강 다광자 이온화 (REMPI)
공명 증강 다광자 이온화(REMPI)는 분광법에서 원자 및 소형 분자에 적용되는 기술로, 가변 레이저를 사용하여 여기된 중간 상태에 접근할 수 있다.개별적으로는 이온화 임계값 미만의 에너지를 가진 여러 개의 광자가 실제로는 원자를 이온화하기 위해 에너지를 합쳐서 사용할 수 있다. 이 확률은 필요한 광자의 수가 증가함에 따라 급격히 감소하지만, 고강도 펄스 레이저의 발전에 따라 실현 가능해졌다. 섭동 영역(광학적인 각 진동수에서 대략 1014 W/cm2 이하)에서 ''N''개의 광자를 흡수하는 확률 ''P''는, 레이저 광 강도를 ''I''로 했을 때, ''I''의 ''N''제곱에 비례한다(''P'' ∝ ''I''''N'')[12]
3. 3. 임계값 이상 이온화 (ATI)
임계 이상 이온화(ATI)는 원자를 이온화하는 데 필요한 최소한의 광자 수보다 더 많은 광자가 흡수되는 다광자 이온화의 한 형태이다.[7] 초과된 에너지는 방출되는 전자에 더 높은 운동 에너지를 부여하여, 일반적인 임계값 바로 위 이온화의 경우보다 더 높은 운동 에너지를 갖게 된다. 더 정확하게 설명하면, 시스템의 광전자 스펙트럼에는 광자 에너지 간격으로 분리된 여러 개의 피크가 나타난다. 이는 방출된 전자가 가능한 최소 광자 수로 이온화된 경우보다 더 높은 운동 에너지를 갖는다는 것을 의미한다. 표적에서 방출된 전자는 대략 정수 개의 광자 에너지에 해당하는 더 높은 운동 에너지를 가진다.4. 터널 이온화
레이저 세기가 더 증가하거나 다광자 이온화가 일어나는 영역에 비해 더 긴 파장을 사용하면 준정상 상태 접근 방식을 사용할 수 있으며, 이는 원자 퍼텐셜을 결합 상태와 연속 상태 사이에 상대적으로 낮고 좁은 장벽만 남도록 왜곡시킨다. 그러면 전자는 터널링을 통해 통과할 수 있다. 더 큰 왜곡의 경우 이 장벽을 넘어설 수 있는데, 이러한 현상을 장벽 억제 이온화라고 한다.
4. 1. 장벽 억제 이온화
광자와 원자 또는 분자 간의 모든 상호 작용이 광이온화로 이어지는 것은 아니다. 광이온화의 확률은 해당 종의 광이온화 단면적과 관련이 있다. 이는 이온화 사건의 확률을 가상의 단면적으로 개념화한 것이다. 이 단면적은 광자의 에너지(파수에 비례)와 고려되는 종, 즉 분자 종의 구조에 따라 달라진다. 분자의 경우, 광이온화 단면적은 기저 상태 분자와 표적 이온 사이의 프랭크-콘돈 인자를 조사하여 추정할 수 있다. 이는 양자 화학 소프트웨어를 사용하여 분자와 관련된 양이온(이온화 후)의 진동을 계산하여 초기화할 수 있다. 이온화 임계값보다 낮은 광자 에너지에서는 광이온화 단면적이 거의 0에 가깝다. 그러나 펄스 레이저의 개발로 다광자 이온화가 여기 및 완화 과정을 통해 발생할 수 있는 매우 강력하고 일관된 빛을 생성하는 것이 가능해졌다. 더 높은 세기(적외선 또는 가시광선의 100E – 1P 정도)에서는 장벽 억제 이온화[3] 및 재산란 이온화[4] 와 같은 비섭동적 현상이 관찰된다.레이저 세기가 더 증가하거나 다광자 이온화가 일어나는 영역에 비해 더 긴 파장을 사용하면 준정상 상태 접근 방식을 사용할 수 있으며, 이는 원자 퍼텐셜을 결합 상태와 연속 상태 사이에 상대적으로 낮고 좁은 장벽만 남도록 왜곡시킨다. 그러면 전자는 터널링을 통해 통과하거나 더 큰 왜곡의 경우 이 장벽을 넘을 수 있다. 이러한 현상을 각각 터널 이온화 및 장벽 상 이온화라고 한다.
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