Basiswissen

Von einer Stoßionisation spricht man, wenn ein Atom oder Molekül infolge eines Stoßes eines (oder auch mehrere) Elektronen aus seiner Hülle verliert. Das Atom oder Molekül ist dann anschließend ein positiv geladenes Ion, also ein Kation. Das wird hier näher erklärt.

Bildbeschreibung und Urheberrecht — Zwei Teilchen, von denen mindestens eines vorher elektrisch neutral ist, prallen mit Bewegungsenergie aufeinander. Dadurch wird aus dem vorher neutralen Teilchen ein Elektron herausgeschlagen, es ist anschließend elektrisch positiv geladen, damit ein Kation und damit auch ionisiert (ein Ion).☛

Was kann Stoßionisation auslösen?

Stoßpartner ist typischerweise ein in einem äußeren elektrischen Feld beschleunigtes Elektron oder Ion. Auch hochenergetische elektromagnetische Strahlung oder bei genügend hoher Temperatur ein Elektron, Ion oder auch neutrales Atom kann infolge seiner ungeordneten Temperaturbewegung zur Stoßionisation führen.

Stoßionisation in einem Zählrohr

Ein Messgerät für ionisierende Strahlung. Die bekannteste Bauform ist der Geiger-Müller-Zähler. Innerhalb eines Zählrohres treten verschiedene physikalische Effekte auf, unter anderem auch Stoßionisation. Lies mehr dazu unter Zählrohr ↗

Stoßionisation beim Franck-Hertz-Versuch

Neutrales Gas in einer Glasröhre wird durch schnelle Elektronen angestoßen. Dadurch werden einige Gasteilchen ionisiert. Das Gas zeigt Leuchteffekte. Der Versuch war sehr schwer zu interpretieren, konnte aber letztendlich zeigen, dass bestimmte Gasteilchen immer nur mit einem festen Energiebetrag ionisiert werden können, es also keine Zwischenstufen gibt. Mehr dazu unter Franck-Hertz-Versuch ↗

Stoßionisation in der Raumfahrt

Raumfahrzeuge, die vom Weltraum zu Erdoberfläche zurückkehren, müssen einen sogenannten Wiedereintritt durchlaufen: vom Weltraum kommend haben sie eine hohe Geschwindigkeit von zum Beispiel 7 bis 8 Kilometern pro Sekunde. Mit dieser Geschwindigkeit treffen Sie in einer Höhe von etwa 100 Kilometern auf die zunehmend häufiger werdenden Moleküle der Erdatmosphäre. Dadurch werden die Raumschiffe abgremst. Die kinetische Bewegungsenergie wird vor allem umgewandelt in Wärmenergie. Unter anderem treten auch Stoßionisationen auf, die ein sogenanntes Plasma^[2] um das Raumschiff erzeugen. Dadurch wird der Funkverkehr zwischen dem Raumfschiff und der Erde für mehrere Minuten unterbrochen - ein ernstzunehmendes Problem für die Sicherheit. Siehe mehr unter Wiedereintritt ↗

Einfacher Versuch zur Stoßionisation

Wem es gelingt, einen elektrischen Funken zur Erzeugen, der hat auch eine Stoßionisation ausgelöst. Wenn man einen Lichtschalter im Dunkeln betätigt kann man im Inneren oft einen Funkenblitz sehen. Wenn man mit den zwei Elektroden eines Labornetzteils bei einer Spannung von vielleicht 20 bis 30 Volt gleichzeitig ein Stück Aluminiumfolie berührt werden heftige Funken überspringen. Und auch bei den Stromabnehmern einer elektrisch angetriebenen Lok kam man an der Hochspannungsleitung oft elektrische Funken beobachten. In all diesen Fällen war Stoßionisation ein Teil des Effekts.^[3]

Fußnoten

[1] Die Ionisierung der Luft um das Raumfahrzeug geschieht unter anderem durch Stoßionisation: "The processes promoted by electron impact on molecular target include vibrational and electronic excitations, dissociation and ionization, with progressively increasing energy threshold" Sowie: "The dissociation of H2, induced by electron collisions, can be regarded as a benchmark..." In: R. Celiberto et al. 2016 Plasma Sources Sci. Technol. 25 033004

DOI 10.1088/0963-0252/25/3/033004

[2] Eine Ansammlung von vorrangig geladenen Teilchen bezeichnet man in der Physik als ein Plasma ↗

[3] Zur Entstehung von Funken durch Stoßionisation heißt es: "Das Auftreten des [elektrischen] Funkens hängt sowohl von der elektrischen Feldstärke als auch von der Beschaffenheit und dem Druck des Gases in der Funkenstrecke ab. Ein Funke entsteht, wenn in der Funkenstrecke die Ionenerzeugung durch Stoßionisation das Verschwinden der Ionen durch Rekombination und Diffusion übertrifft." In: der Artikel "Funke". Spektrum Lexikon der Physik. 6 Bände. Greulich, Walter (Hrsg.) Spektrum Akademischer Verlag. Heidelberg, Berlin. 1998-2000. Siehe auch Funken ↗