Ionisation : 36 électrons arrachés du nuage électronique de l’atome de xénon

En physique, l’ionisation consiste à arracher un ou plusieurs électrons à la structure électronique d’un atome, le transformant ainsi en un ion. Un groupe de chercheurs du Centre pour l’exploitation des lasers à électrons libres (CFEL) de Hambourg, en partenariat avec des équipes allemandes, françaises, américaines et japonaises, est parvenu à arracher 36 électrons de la structure électronique d’un atome de xénon. Les ionisations successives ont été obtenues par l’impulsion unique d’un laser à rayons X pendant une durée de 80 fs [1], avec des photons possédant une énergie de 1,5 keV [2] [3]. Cette expérience a été menée à l’accélérateur linéaire source de lumière cohérente (LCLS) du Centre de l’accélérateur linéaire de Stanford (SLAC) aux Etats-Unis. A cette fin, une chambre d’expérimentation permettant de réaliser des mesures précises a été conçue au CFEL et acheminée par bateau jusqu’aux Etats-Unis.

 
Ce résultat ouvre une nouvelle voie dans la compréhension des mécanismes de l’ionisation. En effet, la théorie actuelle prédit qu’avec une énergie de photons de 1,5 keV, il est possible d’arracher au plus 26 électrons des couches électroniques externes de l’atome de xénon. Or, non seulement l’ensemble des électrons de la 4e et de la 5e couche ont été arrachés, mais également dix électrons de la 3e couche, soit 36 électrons au total.

 
Les chercheurs expliquent cette découverte par un phénomène de résonance, intervenant pour l’atome de xénon dans le domaine d’énergie de 1,5 keV. En comparaison, l’atome de xénon ne subit pas autant d’ionisations pour une énergie de photons de 2 keV.

 
Ainsi, lorsqu’un atome de xénon est soumis à rayonnement de photons de 1,5 keV, certains de ses électrons sont directement arrachés du nuage électronique. D’autres cependant se trouvent excités dans un état de plus haute énergie tout en restant liés à l’atome. Lorsque l’un de ces électrons revient à son état fondamental, celui-ci libère de l’énergie, et la transmet à un autre électron excité. Grâce à ce surplus d’énergie, cet électron excité peut alors être éjecté du nuage électronique. Ainsi, l’atome de xénon ayant subi 36 ionisations a absorbé 19 photons, c’est-à-dire une énergie de 28,5 keV, soit le double de ce que prévoit la théorie.

 
En se basant sur ces mesures, les chercheurs ont établi un modèle mathématique afin de prédire les phénomènes de résonance pour les atomes lourds. Selon les champs d’application, ce phénomène de résonance peut être particulièrement recherché, comme en science des plasmas. Inversement, dans le domaine de l’imagerie en biologie, le phénomène de résonance doit être évité afin de ne pas diminuer la qualité des observations.

[1] fs : femtoseconde. 1fs = 10^(-15) s

[2] keV : kilo-électron-volt

 

 

Pour en savoir plus, contacts :

– [3] Ce résultat a été publié dans un article de la revue « Nature Photonics », consultable au lien suivant : http://redirectix.bulletins-electroniques.com/S0g19
– Dr. Daniel Rolles, Centre pour l’exploitation des lasers à électrons libres (CFEL) de Hambourg – tél. : +49 40 8998-6239 – email : daniel.rolles@asg.mpg.de

 

Sources :

« Xenon oben ohne », communiqué de presse de la Société Max-Planck – 14/11/2012 – http://www.mpg.de/6624493/xenon_ionisation_roentgenlaser

 

Rédacteurs :

Lucas Ansart, lucas.ansart@diplomatie.gouv.fr – https://www.science-allemagne.fr