Wetenschappers hebben een nieuwe methode ontwikkeld voor het berekenen van de ionisatie-energieën van atomen wanneer ze worden beïnvloed door hoogenergetische elektronen. De aanpak, beschreven in een artikel gepubliceerd in het tijdschrift Physical Review A, is nauwkeuriger dan eerdere methoden en zou kunnen worden gebruikt om het begrip van een verscheidenheid aan processen in de hoge-energiefysica en astrofysica te verbeteren.

Wanneer een atoom wordt getroffen door een hoogenergetisch elektron, kan het elektron zijn energie overdragen aan de elektronen van het atoom, waardoor deze geïoniseerd raken. De ionisatie-energie is de minimale hoeveelheid energie die aan een elektron moet worden overgedragen om het van het atoom te bevrijden.

De ionisatie-energieën van atomen zijn voor veel elementen experimenteel gemeten, maar deze metingen kunnen moeilijk en tijdrovend zijn. Theoretische methoden voor het berekenen van ionisatie-energieën zijn daarom essentieel voor het begrijpen van de eigenschappen van atomen en moleculen in extreme omgevingen.

De nieuwe methode, ontwikkeld door onderzoekers van de Universiteit van Californië, Berkeley, is gebaseerd op een kwantummechanische benadering die bekend staat als dichtheidsfunctionaaltheorie (DFT). DFT is een veelgebruikte methode voor het berekenen van de eigenschappen van materialen, maar is doorgaans minder nauwkeurig voor het berekenen van ionisatie-energieën dan andere methoden.

De onderzoekers hebben deze beperking overwonnen door een nieuwe manier te ontwikkelen om de golffunctie van het geïoniseerde elektron weer te geven. Deze nieuwe weergave, die is gebaseerd op een wiskundige techniek die bekend staat als de B-spline-methode, maakt een nauwkeurigere beschrijving mogelijk van de beweging van het elektron nabij de kern.

De onderzoekers testten hun nieuwe methode op verschillende atomen, waaronder helium, neon, argon en krypton. Ze ontdekten dat hun methode nauwkeuriger was dan eerdere DFT-methoden, en in sommige gevallen zelfs beter presteerde dan meer geavanceerde methoden die computationeel duurder zijn.

De nieuwe methode zal naar verwachting nuttig zijn voor een verscheidenheid aan toepassingen in de hoge-energiefysica en astrofysica, waaronder de studie van ionisatieprocessen in plasma's, de atmosferen van sterren en de interacties van atomen met interstellaire straling.