Ionen sammeln Energie

Chemische Ionisation kann auch mehrfach hintereinander auftreten.

Dringt ionisierende Strahlung in Materie ein, gibt sie Energie an die umgebenden Atome oder Moleküle ab. Dabei werden Elektronen aus den Atomhüllen geschlagen und chemische Bindungen aufgebrochen, wobei reaktionsfreudige Radikale entstehen, die ihrerseits wieder Schäden hervorrufen können. Physiker um Paul Scheier vom Institut für Ionenphysik und Angewandte Physik der Universität Innsbruck haben nun einen bisher unbekannten chemischen Ionisationsvorgang beobachtet. Der Niederländer Frans Michel Penning hatte 1927 erstmals davon berichtet, dass durch die Übertragung von Anregungsenergie von einem Teilchen auf ein anderes ein Elektron aus dessen Atomhülle geschlagen werden kann. Diese Form der chemischen Ionisierung kann, wie die Innsbrucker Physiker belegen, auch mehrfach hintereinander ablaufen.

 Abb.: Ein ursprünglich gebildetes Ion sammelt Anregungsenergie aus einer weiten Umgebung und wird erneut ionisiert. (Bild: P. Scheier)

Entdeckt haben die Physiker den chemischen Ionisationsvorgang mit flüssigen Heliumtröpfchen, die mit Iodmethan dotiert wurden. Die Tröpfchen waren wenige Nanometer groß und  hatten eine Temperatur von 0,38 Kelvin. Die Ionisationsvorgänge wurden massenspektroskopisch untersucht. Dazu wurden mehrere Heliumatome eines Tröpfchens mithilfe eines Elektronenstrahls angeregt. Dies löste den von Penning beschriebenen Ionisationsvorgang aus, bei dem Anregungsenergie von einem Heliumatom auf ein Iodmethan-Molekül übertragen wird. Das Molekül wurde dadurch gespalten, ein Elektron herausgeschlagen, und es entstand ein positiv geladenes Ion. „Das für uns Überraschende war nun, dass sich dieser Ionisationsvorgang wiederholt“, erzählt Scheier. „Das bereits ionisierte Iod zieht ein weiteres angeregtes Heliumatom an, und dieses gibt erneut Anregungsenergie an das Iod ab, das ein weiteres Elektron verliert.“ Theoretische Berechnungen von schwedischen Forscherkollegen zeigen, dass die Polarisierbarkeit des angeregten Heliumatoms 200-Mal größer ist als von normalen Heliumatomen. „Dies ist der Grund, warum das Ion so attraktiv für das angeregte Heliumatom ist“, sagt Paul Scheier. „Dieser Mechanismus führt zu einer beträchtlichen Energieanreicherung, die in biologischen Systemen zu erheblichen Schädigungen mit Folgen für den Organismus führen kann.“

Universität Insbruck/MH