자기이온화

자기이온화(Autoionization)는 들뜬 상태에 있는 원자 또는 분자가 전자 껍질의 전자 중 하나를 자연방출하여 전하가 Z인 상태에서 전하가 Z + 1인 상태로, 예를 들어 전기적으로 중성인 상태에서 1가 이온화된 상태로 변하는 과정이다.^[1]

자기이온화 상태는 일반적으로 반감기가 짧기 때문에 일반적인 속박 상태보다는 파노 공명으로 설명될 수 있다. 이는 광이온화, 전자 이온화 및 다른 방법을 통해 원자와 분자의 이온화 단면적 변화로 관찰될 수 있다.

예시

예를 들어, 네온의 극자외선 광이온화 스펙트럼에서 몇몇 파노 공명은 자기 이온화 상태에 기인한다.^[2] 일부는 1전자 여기(excitation)에 의한 것으로, 45.546, 47.121, 47.692 eV의 에너지에서 세 개의 강하고 유사한 모양의 피크가 나타나는데, 이는 n = 3, 4, 5에 대한 1s² 2s¹ 2p⁶ np (¹P) 상태로 해석된다. 이러한 중성 네온의 상태는 첫 번째 이온화 에너지보다 높다. 2p 전자를 제거하는 것보다 2s 전자를 여기시키는 데 더 많은 에너지가 필요하기 때문이다. 자기 이온화가 발생할 때, np → 2s 탈여기(de-excitation)는 하나의 2p 전자를 제거하고 Ne⁺ 바닥 상태를 형성하는 데 필요한 에너지를 제공한다.

다른 공명은 2전자 여기(excitation)에 기인한다. 위에서 고려한 동일한 네온 광이온화 스펙트럼은 동일한 영역에서 44.979 eV에 네 번째 강한 공명을 포함하지만, 매우 다른 모양을 가지며, 이는 1s² 2s² 2p⁴ 3s 3p (¹P) 상태로 해석된다.^[2] 자기 이온화의 경우, 3s → 2p 전이는 3p 전자를 제거하는 데 필요한 에너지를 제공한다.

전자 이온화는 선택 규칙으로 인해 광자에 의해 여기될 수 없는 일부 상태를 관찰할 수 있게 한다. 다시 네온을 예로 들면, 스핀 선택 규칙 ΔS = 0에 의해 삼중항 상태의 이온은 금지되지만, 1s² 2s² 2p⁴ 3s 3p (³P)는 42.04 eV에서 전자 이온화를 통해 관찰되었다.^[3] 고에너지 H⁺, He⁺, Ne⁺ 이온에 의한 이온 충격도 사용되었다.^[4]

안쪽 전자가 부족하면 양이온은 오제 효과를 통해 추가로 자기 이온화되어 두 번째 전자를 잃을 수 있다. 네온에서는 X선 여기(excitation)가 1s 전자를 제거하여 1s¹ 2s² 2p⁶ 구성을 가진 들뜬 Ne⁺ 이온을 생성할 수 있다. 이어진 오제 과정에서 2s → 1s 전이와 동시에 2p에서 두 번째 전자가 방출되어 Ne²⁺ 1s² 2s¹ 2p⁵ 이온 상태가 된다.

분자는 또한 분자 진동으로 자기 이온화하는 뤼드베리 상태를 가질 수 있는데, 이 경우 뤼드베리 상태를 이온화하는 데 필요한 소량의 에너지는 진동 여기(excitation)에 의해 제공된다.^[5]

자기탈착

원자나 분자의 들뜬 상태가 중성 입자와 공명적으로 부착된 전자의 복합 상태로 구성될 때, 자기 이온화는 자기탈착(autodetachment)으로 지칭된다. 이 경우 복합 상태는 자기 이온화 과정 전에 순수 음전하를 띠고, 중성 전하로 끝난다. 최종 상태는 공명 부착 과정의 과잉 에너지 결과로 종종 진동적으로 또는 회전적으로 들뜬 상태가 될 것이다.^[6]