Resonantie-ionisatiespectroscopie
Resonantie-ionisatiespectroscopie (RIS) is een uiterst gevoelige en zeer selectieve analytische meetmethode. Het gebruikt lasers om elektronen uit te werpen van geselecteerde soorten atomen of moleculen, waarbij de neutrale soort wordt opgesplitst in een positief ion en een vrij elektron met een negatieve lading. Die ionen of elektronen worden vervolgens op verschillende manieren gedetecteerd en geteld om elementen of verbindingen te identificeren en hun concentratie in een monster te bepalen. De RIS-methode is ontstaan in de jaren zeventig en wordt nu gebruikt in een groeiend aantal toepassingen om kennis op het gebied van natuurkunde, scheikunde en biologie te vergroten. Het wordt toegepast in een groot aantal praktische meetsystemen omdat het de gecombineerde voordelen biedt van hoge selectiviteit tussen verschillende soorten atomen en gevoeligheid op het niveau van één atoom.
Toepassingen van een eenvoudige atoomteller omvatten fysische en chemische studies van gedefinieerde atoompopulaties. Geavanceerdere systemen bevatten verschillende vormen van massaspectrometers, die het extra kenmerk van isotopische selectiviteit bieden. Deze meer uitgebreide RIS-systemen kunnen bijvoorbeeld worden gebruikt om maanmaterialen en meteorieten te dateren, oud grondwater en ijskappen te bestuderen, de neutrino-output van de zon te meten, sporenelementen in materialen van elektronische kwaliteit te bepalen, te zoeken naar hulpbronnen zoals olie, goud en platina bestuderen de rol van sporenelementen in de geneeskunde en biologie, bepalen de DNA-structuur en pakken een aantal milieuproblemen aan.
Ionisatieprocessen
Fundamentele energieoverwegingen
Een basiskennis van de atoomstructuur is nodig voor de studie van resonantie-ionisatie (zie hierboven Basisatoomstructuur). Tenzij een atoom wordt onderworpen aan enige externe invloed, bevindt het zich in de toestand met de laagste energie (grondtoestand) waarin de elektronen systematisch alle banen vullen vanaf de banen die het dichtst bij de kern naar buiten liggen tot een grotere baan met de buitenste (valentie) elektronen. Een valentie-elektron kan zelfs verder van de kern worden gepromoot als het een foton absorbeert. Om de excitatie te initiëren, moet het foton een energie hebben die binnen een zeer smal bereik ligt, aangezien de energieën van alle banen rond de kern, inclusief de niet-gevulde, strikt worden voorgeschreven door de kwantummechanica. Elk element heeft zijn eigen unieke set energieniveaus, die de basis vormt voor zowel emissiespectroscopie als absorptiespectroscopie. Ionisatie van een atoom vindt plaats wanneer een elektron volledig van het atoom is ontdaan en in het ionisatiecontinuüm wordt uitgestoten. De kloof tussen de energie van een atoom in zijn grondtoestand en het energieniveau aan de rand van het ionisatiecontinuüm is het ionisatiepotentieel.
De fotonenergieën die worden gebruikt bij de resonantie (stapsgewijze) ionisatie van een atoom (of molecuul) zijn te laag om het atoom direct vanuit zijn grondtoestand te ioniseren; er worden dus ten minste twee stappen gebruikt. De eerste absorptie is een resonantieproces zoals geïllustreerd in de voorbeelden in Figuur 14, en dit zorgt ervoor dat de ionisatie niet zal worden waargenomen tenzij de laser is afgestemd op het atoom - dat wil zeggen, werkend op de juiste golflengte. Kwantummechanica beperkt de energie van vrije elektronen in het continuüm niet, en dus kan een foton met een minimale energie worden geabsorbeerd om het resonantie-ionisatieproces te voltooien.
Met bepaalde gepulseerde lasers kan het RIS-proces met twee fotonen worden verzadigd, zodat van elk atoom van het geselecteerde type één elektron wordt verwijderd. Bovendien kunnen ionisatiedetectoren worden gebruikt om een enkel elektron of een positief ion te detecteren. Daarom kunnen individuele atomen worden geteld. Door gebruik te maken van afstembare lasertechnologie om verschillende RIS-schema's te implementeren, is het haalbaar om bijna elk atoom in het periodiek systeem te detecteren. De gecombineerde kenmerken van selectiviteit, gevoeligheid en algemeenheid maken RIS geschikt voor een breed scala aan toepassingen.
