Ionisation – einfach erklärt

Grundbegriff

Ionisation ist jeder Vorgang, bei dem aus einem Atom oder Molekül ein oder mehrere Elektronen entfernt werden. Dadurch bleibt das Atom oder Molekül als positiv geladenes Ion, also als Kation, zurück. Der umgekehrte Vorgang heißt Rekombination: Dabei fängt ein positiv geladenes Atom oder Molekül wieder ein Elektron ein.

In der Chemie kann Ionisation auch bedeuten, dass ein neutrales Atom oder Molekül ein Elektron aufnimmt und dadurch ein negativ geladenes Ion, also ein Anion, entsteht. Außerdem kann chemische Ionisation durch Anlagerung von Ionen erfolgen, zum Beispiel von Protonen, Kationen oder Anionen, etwa in der Massenspektrometrie. In einem weiteren Sinn wird manchmal auch die Abspaltung eines Protons in einer Säure-Base-Reaktion als Ionisation bezeichnet, zum Beispiel wenn aus H_{2}SO_{4} das Anion HSO_{4}^{−} entsteht.

Wichtige Mechanismen

Ionisation kann durch verschiedene Prozesse ausgelöst werden. Bei der Stoßionisation schlägt ionisierende Strahlung, zum Beispiel beschleunigte Elektronen, Elektronen aus ihrer Bindung heraus. Die freigesetzten Elektronen können, wenn sie genug Energie besitzen, weitere Ionisationen verursachen. Auch bei genügend hoher Temperatur kann Stoßionisation durch die ungeordnete Temperaturbewegung von Elektronen, Ionen oder neutralen Atomen entstehen.

Bei der Feldionisation werden Elektronen durch ein ausreichend starkes elektrisches Feld aus ihrer Bindung gelöst. Hoch angeregte Atome können außerdem durch Autoionisation von selbst in einen ionisierten Zustand übergehen. Feldionisation ist im Wesentlichen ein solcher Autoionisationsprozess: Ein hochangeregtes Atom oder Molekül verliert spontan ein Elektron, ohne weitere Wechselwirkung mit der Energiequelle.

Thermodynamische Ionisation tritt in Gasen bei ausreichend hoher Temperatur auf. Dabei ionisieren Gasteilchen durch Stoßprozesse, wenn die kinetische Energie der beiden Stoßpartner größer ist als die Ionisationsenergie. Für atomaren Wasserstoff liegt die Ionisationsrate in einer Sternatmosphäre bei einer Teilchen-Anzahldichte von 10^{20}/m³ und T≈10000K bei etwa 50 %. Dieses Verhalten beschreibt die Saha-Gleichung. Bei Normaldruck von etwa 1 bar beginnt in Gasen bereits ab T>1000 °C die Bildung ionisierter, elektrischer Ladungsträger.

Photoionisation entsteht durch die Wechselwirkung von Licht mit einem Atom oder Molekül. Die Photonen müssen dafür genügend Energie besitzen; das Licht braucht eine Mindest-Frequenz und liegt meist im Bereich der Ultraviolettstrahlung oder darüber. In der Natur geschieht dies unter anderem in großen Höhen der Erdatmosphäre oberhalb der Troposphäre, wobei zum Beispiel Ozon gebildet wird.

Schreibweisen und Energie

Stoßionisationsprozesse werden häufig mit Symbolen wie (e,2e), (e,3e) oder (γ,2e) beschrieben. Das erste Zeichen in der Klammer steht für das Projektil, also das einfallende Teilchen oder Photon. Nach dem Komma stehen die erzeugten freien Teilchen zusätzlich zum ionisierten Atom; das Projektil wird mitgezählt, sofern es nicht wie ein Photon absorbiert wird. „2e“ bedeutet, dass zwei freie Elektronen das Atom verlassen. Bei (e,2e) erzeugt der Zusammenstoß eines Elektrons mit einem Atom ein einfach ionisiertes Atom. Bei (γ,2e) entsteht durch Wechselwirkung eines Photons mit einem Atom ein doppelt ionisiertes Atom.

Für jede Ionisation muss Energie aufgebracht werden, um ein Elektron vom Atom oder Molekül zu trennen. Diese Energie heißt Ionisationsenergie. Sie liegt typischerweise in der Größenordnung mehrerer Elektronenvolt; Argon im Grundzustand hat zum Beispiel 15,7 eV. Die Ionisationsenergie hängt vom Material und vom aktuellen Anregungszustand ab. Bereits ionisierte Atome oder Moleküle lassen sich zunehmend schwerer weiter ionisieren. Die Ionisierungsenergie steigt mit jedem weiteren zu entfernenden Elektron aus der Elektronenschale exponentiell an.

Plasma

Plasma ist Materie mit einem ausreichend hohen Anteil an freien Ionen und Elektronen, also mit hoher Ionisation. Diese qualitative Definition gilt nicht nur für Gase mit geringer Dichte. Sie schließt auch komprimierte Materie ein, die Eigenschaften einer Flüssigkeit hat.

Bei Gasen unterscheidet man zwischen Niederdruckplasmen, Atmosphärendruckplasmen und Hochdruckplasmen. Nahezu die gesamte sichtbare Materie im Universum ist mehr oder weniger stark ionisiert.

Anwendungen

Ionisierte Luft ist elektrisch leitfähig. Sie wird bei der Verarbeitung von Produkten eingesetzt, die sich elektrostatisch aufladen können, zum Beispiel Folien- oder Papierrollen. Die leitfähige Luft baut Ladung ab. Dadurch werden Gefahren durch Funkenschlag und das Anziehen unerwünschter Staubpartikel verringert; auch der Transport wird erleichtert.

Ionenkonzentrationen in der Luft werden mit einem Ionometer gemessen. Es kann Polarität und Konzentration der Ionen bestimmen. In der Natur ist das Verhältnis der Polarität meist ausgeglichen, mit einer leichten Tendenz zu mehr positiv geladenen Ionen. Die Konzentration hängt von geologischer Beschaffenheit, geographischer Lage und Wetterbedingungen ab. Angegebene Werte sind: nahe Wasserfällen 20.000–70.000 Ionen/cm³, im Gebirge oder in Meeresnähe 4.000–10.000 Ionen/cm³, am Stadtrand sowie auf Wiesen und Feldern 1.000–3.000 Ionen/cm³, in innerstädtischen Parkanlagen 400–600 Ionen/cm³, in Stadt und Agglomeration 200–500 Ionen/cm³ und in belüfteten oder klimatisierten Räumen 10–100 Ionen/cm³.

Ionisierte Luft wird in der Lebensmittelindustrie eingesetzt, etwa bei der Pasteurisation von Bier und anderen Getränken. In der Getränkeabfüllung wird eine Flasche vor dem Füllen mit ionisierter Luft ausgeblasen, um Mikroorganismen abzutöten. Ionisierende Strahlung dient außerdem der industriellen Sterilisation, zum Beispiel von medizinischen Einwegartikeln, zum Töten von Insekten und zur Inaktivierung von Enzymen. In Krankenhäusern hat die Plasmasterilisation die Gassterilisation weitgehend abgelöst.

Mögliche Schäden

Bei direkter oder indirekter Ionisation können Radikale entstehen. Radikale sind sehr reaktionsfreudige Teilchen; sie können chemische Reaktionen auslösen und unter anderem zur Bildung von Ozon, Stickoxiden und anderen Schadstoffen führen. Ozon kann die Atmungsorgane des Menschen beeinträchtigen und Korrosion fördern.

Im menschlichen Körper kann direkte Ionisation durch Strahlung vor allem Wassermoleküle treffen. Dabei entstehen H^{+}- und OH^{−}-Radikale. Diese können organische Moleküle angreifen.