Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Формирование ионов посредством взаимодействия фотона с молекулой или атомом.
Ion formation via a photon interacting with a molecule or atom
Фотоионизация — это физический процесс, при котором ион образуется в результате взаимодействия фотона с атомом или молекулой.
Photoionization is the physical process in which an ion is formed from the interaction of a photon with an atom or molecule.
Поперечное сечение
Не каждое взаимодействие между фотоном и атомом или молекулой приводит к фотоионизации. Вероятность фотоионизации связана с сечением фотоионизации данного вида – вероятностью события ионизации, представляемой в виде гипотетической площади поперечного сечения. Это сечение зависит от энергии фотона (пропорционально его волновому числу) и рассматриваемого вида, то есть от структуры молекулярного вида. В случае молекул, сечение фотоионизации можно оценить, изучая факторы Франка — Кондона между молекулой в основном состоянии и целевым ионом. Это можно осуществить, вычислив колебания молекулы и соответствующего катиона (после ионизации) с помощью программного обеспечения для квантовой химии, например QChem. При энергиях фотонов ниже порога ионизации сечение фотоионизации близко к нулю. Однако с развитием импульсных лазеров стало возможным создавать чрезвычайно интенсивный, когерентный свет, в котором может происходить многофотонная ионизация посредством последовательностей возбуждений и релаксаций. При еще более высоких интенсивностях (около 10¹⁵ – 10¹⁶ Вт/см² инфракрасного или видимого света) наблюдаются непертурбативные явления, такие как ионизация с подавлением барьера и ионизация с перерассеянием.
Not every interaction between a photon and an atom, or molecule, will result in photoionization. The probability of photoionization is related to the photoionization cross section of the species – the probability of an ionization event conceptualized as a hypothetical cross sectional area. This cross section depends on the energy of the photon (proportional to its wavenumber) and the species being considered i. e. it depends on the structure of the molecular species. In the case of molecules, the photoionization cross section can be estimated by examination of Franck Condon factors between a ground state molecule and the target ion. This can be initialized by computing the vibrations of a molecule and associated cation (post ionization) using quantum chemical software e. g. QChem. For photon energies below the ionization threshold, the photoionization cross section is near zero. But with the development of pulsed lasers it has become possible to create extremely intense, coherent light where multi photon ionization may occur via sequences of excitations and relaxations. At even higher intensities (around 1015 – 1016 W/cm2 of infrared or visible light), non perturbative phenomena such as barrier suppression ionization and rescattering ionization are observed.
Многофотонная ионизация
Несколько фотонов с энергией ниже порога ионизации могут фактически объединить свои энергии для ионизации атома. Эта вероятность быстро уменьшается с увеличением числа необходимых фотонов, но разработка очень интенсивных импульсных лазеров всё ещё делает это возможным. В области малых возмущений (ниже примерно 10¹⁴ Вт/см² при оптических частотах) вероятность поглощения N фотонов зависит от интенсивности лазерного света I как Iᴺ. При более высоких интенсивностях эта зависимость становится неверной из-за возникающего эффекта Старка. Резонансно-усиленная многофотонная ионизация (REMPI) – это метод, применяемый в спектроскопии атомов и небольших молекул, в котором с помощью перестраиваемого лазера можно получить доступ к возбужденному промежуточному состоянию. Ионизация выше порога (ATI) является развитием многофотонной ионизации, при котором поглощается больше фотонов, чем необходимо для ионизации атома. Избыточная энергия придает высвобождаемому электрону более высокую кинетическую энергию, чем в случае ионизации, близкой к порогу. Более точно, спектр фотоэлектронов системы будет содержать несколько пиков, разделенных энергиями фотонов, что указывает на то, что излученный электрон обладает большей кинетической энергией, чем при нормальной (ионизации с минимально возможным числом фотонов). Электроны, вылетающие из мишени, будут иметь кинетическую энергию, приблизительно превышающую целое число энергий фотонов.
Several photons of energy below the ionization threshold may actually combine their energies to ionize an atom. This probability decreases rapidly with the number of photons required, but the development of very intense, pulsed lasers still makes it possible. In the perturbative regime (below about 1014 W/cm2 at optical frequencies), the probability of absorbing N photons depends on the laser light intensity I as IN For higher intensities, this dependence becomes invalid due to the then occurring AC Stark effect. Resonance enhanced multiphoton ionization (REMPI) is a technique applied to the spectroscopy of atoms and small molecules in which a tunable laser can be used to access an excited intermediate state. Above threshold ionization (ATI) is an extension of multi photon ionization where even more photons are absorbed than actually would be necessary to ionize the atom. The excess energy gives the released electron higher kinetic energy than the usual case of just above threshold ionization. More precisely, the system will have multiple peaks in its photoelectron spectrum which are separated by the photon energies, indicating that the emitted electron has more kinetic energy than in the normal (lowest possible number of photons) ionization case. The electrons released from the target will have approximately an integer number of photon energies more kinetic energy.
Ионизация туннеля
Когда интенсивность лазера дополнительно увеличивается или применяется длина волны больше, чем в режиме, при котором происходит многофотонная ионизация, можно использовать квазистационарный подход, который приводит к искажению атомного потенциала таким образом, что остается лишь относительно низкий и узкий барьер между связанным состоянием и состояниями непрерывного спектра. Тогда электрон может туннелировать сквозь этот барьер или, при больших искажениях, даже преодолевать его. Эти явления называются туннельной ионизацией и ионизацией через барьер, соответственно.
When either the laser intensity is further increased or a longer wavelength is applied as compared with the regime in which multi photon ionization takes place, a quasi stationary approach can be used and results in the distortion of the atomic potential in such a way that only a relatively low and narrow barrier between a bound state and the continuum states remains. Then, the electron can tunnel through or for larger distortions even overcome this barrier. These phenomena are called tunnel ionization and over the barrier ionization, respectively.