Процеси надпружного розсіяння електронів на метастабільних атомах магнію та стронцію

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Вступ

Актуальність теми. Експериментальне вивчення процесів зіткнень за участю електронів та збуджених атомів дає вкрай необхідну інформацію, яка використовується для побудови фундаментальних фізичних моделей атомних систем та перебігу елементарних процесів зіткнень. Поряд з цим їх вивчення забезпечує дані, які можна безпосередньо застосувати там, де величини концентрацій збуджених атомів є значними, зокрема, в лазерних, іонізованих, плазмових середовищах природного та штучного походження. Ці чинники обумовлюють пріоритетність досліджень процесів зіткнень, а також й те, що їх вивчення представляє як фундаментальний, так і практичний інтерес.

Найменш вивченою залишається область малих енергій, де можливості як експерименту, так і теорії суттєво обмежені. Саме в цій області серед зіткнувальних процесів істотно зростає ймовірність перебігу надпружного розсіяння електронів. Однак, незважаючи на свою важливість, вивчення надпружного процесу знаходиться на початковому етапі. Майже відсутні дані, що стосуються його ефективного перерізу - в літературі зустрічаються лише поодинокі спроби встановлення величин диференціального перерізу надпружного розсіяння електронів на атомах натрію та визначення коефіцієнтів швидкості реакції, а на їх основі - знаходження усереднених перерізів надпружного розсіяння електронів на атомах інертних газів та атомах ртуті. Тому для даного наукового напрямку актуальним є створення надійної методичної та експериментальної бази, постановка та проведення повних експериментальних досліджень хоча б для одного елементу. Зважаючи на те, що будь-які дані з надпружного розсіяння електронів на метастабільних атомах магнію та стронцію відсутні взагалі, проведення експериментів для цих атомів наразі також є актуальним і розширює клас досліджуваних елементів.

Мета і задачі дослідження. Метою досліджень було проведення комплексних досліджень з надпружного розсіяння електронів на метастабільних атомах магнію та стронцію, які включали в себе створення комплексної експериментальної установки, розробку методик із виявлення надпружного процесу, знаходження абсолютних величин перерізів та їх енергетичних залежностей, пошук механізмів перебігу даного процесу. Для реалізації поставленої мети необхідно було вирішити такі задачі дослідження:

1. Створення експериментальної установки для одержання спектрів втрат енергій розсіяних електронів на метастабільних атомах з метою виявлення явища надпружного розсіяння електронів.

2. Вибір оптимального джерела первинного пучка електронів, яке б дозволяло отримати пучок електронів достатньої інтенсивності та необхідної енергетичної неоднорідності в області малих енергій.

3. Створення експериментальної установки для знаходження енергетичної залежності перерізу надпружного процесу та його абсолютної величини.

4. Проведення експериментів з надпружного розсіяння електронів на метастабільних атомах магнію і стронцію, отримання енергетичних залежностей перерізів надпружного розсіяння та їх абсолютних величин.

5. Пошук механізмів перебігу надпружного процесу та його модельне описання.

1. Суть основних фізичних понять, що використовуються в даній роботі

Розглянуто основні експериментальні методи дослідження процесу надпружного розсіяння електронів на збуджених атомах. Приведений аналіз літературних даних стосовно експериментального і теоретичного вивчення досліджуваного процесу показав, що практично відсутні залежності перерізів надпружного процесу від енергії налітаючих електронів. Виявлено значні розбіжності (до двох порядків) у абсолютних величинах ефективних перерізів надпружного процесу, отриманих різними авторами для одного елементу. Вказується на можливі джерела таких розбіжностей.

2. Експериментальні установки для запису спектрів розсіяних електронів та визначення абсолютних величин перерізів надпружного процесу, їх енергетичних залежностей

Описано методики запису спектрів втрат енергій розсіяних електронів та визначення абсолютних величин перерізів процесу, їх енергетичних залежностей. Приведено результати контрольних дослідів, розглянуто калібрування енергетичних шкал та похибки вимірювань.

Для дослідження процесу надпружного розсіяння електронів на метастабільних атомах були сконструйовані оригінальні експериментальні установки, що складалися із вакуумної камери з системою помпування, електронного спектрометра та системи реєстрації утворених продуктів реакції. Реалізація досліджень здійснювалася у три послідовні етапи.

Метою досліджень на першому етапі було створити експериментальні засоби виявлення та спостереження процесу надпружного розсіяння електронів. Для цього був використаний такий експериментальний прийом, як запис спектрів втрат енергій розсіяних електронів. Для одержання первинного пучка електронів використовувалися п'ятиелектродна електронна гармата або 90° циліндричний монохроматор електронів, а енергетичний аналіз розсіяних електронів вівся за допомогою 127° циліндричного аналізатора. Пучок метастабільних атомів одержувався шляхом пропускання пучка нормальних атомів, отриманих ефузійним способом, через розрядну камеру. Пучок атомів перетинався з пучком електронів під прямим кутом. Розсіяні електрони спостерігалися під кутом 90° до площин електронного й атомного пучків. Дана установка дозволяла проводити записи спектрів втрат енергій розсіяних електронів на атомах в основному та метастабільних станах. За нуль енергетичної шкали в спектрі втрат енергій бралося положення лінії пружно розсіяних електронів. Калібрування шкали енергій налітаючих електронів здійснювалося, використовуючи вольт-амперну характеристику джерела пучка електронів. Енергетичні роздільності спектрометра визначалася експериментально і складали відповідно 0.2 еВ та 0.4 еВ для випадків, коли в якості джерела пучка електронів використовувався 90° циліндричний монохроматор електронів та п'ятиелектродна електронна гармата.

Завданням другого етапу досліджень було знаходження абсолютної величини перерізу надпружного розсіяння та його енергетичної залежності. Для його виконання було створено експериментальну установку та розроблено відповідні методики досліджень. На цьому етапі для одержання первинного пучка електронів був виготовлений трохоїдний електронний монохроматор (ТЕМ). Методика досліджень полягала в наступному. Пучок електронів перетинався в області зіткнень під прямим кутом з пучком атомів, що містив атоми в основному та метастабільних станах. Розсіяні на атомах електрони спостерігалися вздовж напрямку поширення електронного пучка (“розсіяння вперед”). Аналізатор енергій розсіяних електронів був гальмівного типу і представляв собою систему з трьох плоских електродів з круглими діафрагмами. Потенціали крайніх електродів задавалися рівними прискорюючому потенціалу, а на середній електрод подавався затримуючий від'ємний потенціал, близький по величині до потенціалу катоду. Створений потенціальний бар'єр могли подолати тільки надпружно розсіяні електрони., які в результаті взаємодії з метастабільними атомами отримали надлишок їх енергії збудження. Процедура вимірів проходила наступним чином. На двокоординатному самописці реєструвалася залежність величини сигналу від прискорюючого потенціалу. Ця залежність, віднесена до значення струму первинного пучка електронів, визначала енергетичну залежність перерізу надпружного розсіяння електронів у відносних одиницях в області заданих кутів розсіяння. Експериментальні виміри проводилися для енергій налітаючих електронів Е = 0.15 2 В. Величина затримуючого потенціалу аналізатора бралася меншою на десяті долі величини потенціалу збудження першого метастабільного рівня досліджуваного атома. Аналізований кутовий діапазон розсіяння при цьому знаходився у межах = 0.2 0.3 рад, а енергетична роздільність спектрометра для таких умов була не гіршою 0.1 еВ.

Абсолютну величину перерізу надпружного розсіяння електронів вдалося визначити шляхом його нормування на відомий переріз іонізації метастабільних атомів електронним ударом. У роботі під слід розуміти частину інтегрального перерізу надпружного розсіяння електронів в діапазоні кутів розсіяння , межі якого визначаються кутовим розділенням аналізатора. Відносна похибка у визначенні абсолютної величини складала ~ 60%. У випадку вимірюванні відносної величини загальна похибка складала ~ 8%. Калібрування шкали енергій налітаючих електронів проводилося по порогу функції іонізації атомів з основного стану з похибкою 0.1 еВ.

Зіставлення одержаних в роботі контрольних даних зі спектрів втрат, функцій іонізації та збудження свідчить про добре їх узгодження з відомими результатами та про коректність запису спектрів втрат і вимірювань енергетичних залежностей перерізів процесів, що приводяться у дисертації.

3. Результати досліджень надпружного розсіяння електронів на метастабільних атомах магнію і стронцію та їх обговорення

Дається інтерпретація виявлених особливостей на енергетичних залежностях перерізу розсіяння та пропонується модель перебігу процесу.

На початку розділу наводяться спектроскопічні характеристики атомів магнію та стронцію. В подальшому приводяться спектри втрат енергій розсіяних електронів на атомах магнію та стронцію для енергії первинного пучка електронів 15 еВ. При записі спектрів в експериментах з атомами магнію в якості джерела первинного пучка електронів використовувалися електронна гармата, а з атомами стронцію - 90° циліндричний монохроматор. Записи спектрів велися для двох випадків - коли в атомному пучку була наявна лише атоми в основному стані і для випадку, коли в пучку були присутні й атоми у метастабiльних станах. Результати отримані для кута розсіяння = 90° і приведені на рис. 1, а їх співставлення вказує на чіткі відмінності між ними. Аналіз їх на прикладі магнію показує наступне. У випадку розсіяння електронів тільки на атомах в основному стані домінуючий пік при нульовій втраті енергії характеризує пружне розсіяння. В області додатних втрат енергій спостерігаються піки, які відносяться за рахунок збудження нижніх триплетних (перший пік) та синглетного (другий пік) Р-рівнів. В області від'ємних втрат енергій відмічаються лише статистичні коливання фонового сигналу. У випадку, коли в атомному пучку присутні й атоми в метастабільних станах, в області від'ємних втрат при енергії ~ 2.71 еВ помітно виділяється пік, що не має аналогів на спектрі 1. Він відповідає надпружному розсіянню електронів на метастабільних 3Р0,2-станах атома магнію.

Подібна картина відмічається і для атома стронцію, для якого на спектрах втрат спостерігається особливість при енергії ~ 1.8 еВ. яка характеризує надпружне розсіяння електронів на метастабiльних 3Р0,2-станах атома стронцію. Основним результатом цього етапу досліджень був доказ принципової можливості спостереження надпружного процесу у вибраних експериментальних умовах.

На другому етапі досліджень були встановлені енергетичні залежності перерізів надпружного розсіяння електронів на метастабільних атомах магнію і стронцію та визначені їх абсолютні величини.

Абсолютні величини перерізів надпружного процесу визначені при енергії 0.6 еВ і вони складали для атомів магнію та стронцію відповідно 310_16 см2 та 2010_16 см2. Аналіз отриманих залежностей на прикладі атома магнію вказує на певну структуру на отриманій кривій (рис. 2 а) у формі вузького максимуму при енергії 0.4 еВ. Звертає на себе увагу різкий ріст перерізу надпружного розсіяння для енергій, менших 0.2 еВ. Аналогічну картину спостерігаємо і для атома стронцію, для якого максимум лежить при енергії 0.45 еВ (рис. 2 б). Встановлений резонансний характер отриманих енергетичних залежностей не може бути пояснений з точки зору існуючої в літературі схеми перебігу надпружного процесу як потенціального розсіяння електрона на полі атома.

Встановлення природи походження виявлених особливостей складало зміст третього етапу досліджень. Було запропоновано модель перебігу надпружного процесу, згідно досліджуваний процес протікає за двома схемами: 1) потенціальна схема розсіяння електрона на полі атома; 2) схема включає в себе проміжкові ланку - утворення та розпад збуджених станів негативного іону. Згідно цієї моделі реакція перебігу надпружного процесу запишеться як:

,

де - атом до взаємодії в j-му збудженому стані; - негативний іон у збудженому стані; - атом після взаємодії в i-му збудженому стані; та - відповідно налітаючий та розсіяний електрони. Розгляд сказаного проілюстровано на прикладі магнію. Збуджені стани іону утворюються на триплетних 3s3p 3Р0,2 станах атома магнію. У відповідності з слід вважати, що найбільш ймовірно проходить утворення конфігурації 3s3p2 станів , оскільки рівні такої конфігурації лежать найнижче. Проведений аналіз показав, що для такої конфігурації можливі чотири системи термів - квартет 4Р та дублети 2D, 2S і 2P, і схема утворення збуджених станів має наступний вигляд:

.

Дані з енергетичних положень таких термів у літературі практично відсутні. У дисертації проведені розрахунки положень цих станів , застосовуючи екстраполяцію вздовж ізоелектронного ряду AlI, SiII, PIII, SIV, ClV.

З метою виявлення можливих каналів розпаду негативних іонів досліджувалося випромінювання, стимульоване електронами в області їх перетину з атомним пучком. В результаті для випадку, коли в атомному пучку були присутні атоми в метастабільних станах, в області енергій електронів, менших 2 еВ, вперше було зареєстровано випромінювання спектральної лінії на довжині хвилі = 457.1 нм (перехід 3 1S0 _ 3 3P1). Була отримана енергетична залежність перерізу збудження цієї спектральної лінії (крива 3 на рис. 2. а), яка характеризується максимумом при енергії 0.5 еВ. Абсолютну величину перерізу визначено шляхом нормування на переріз збудження цього ж спектрального переходу з основного стану атома. В результаті для при енергії електронів 0.5 еВ була отримана величина 410_14см2.

Співставлення отриманих енергетичних залежностей для магнію вказує на практично повну їх подібність, а схема перебігу надпружного процесу виглядає наступним чином. Утворюються стани негативного іону конфігурації 3s3p2. У свою чергу розпад станів відбувається багатоканально. Найбільш ймовірним є розпад дублетних 2Р термів і проходить він виключно у триплетні 3 3Р атомні стани, причому найефективніше відбувається розпад у стан 3 3Р1, оскільки у цьому випадку можливий викид р-електронів з різними j. У свою чергу стан 3 3Р1 розпадається у радіаційному каналі з випромінюванням спектральної лінії з довжиною хвилі = 457.1 нм, що й реєструється в оптичному каналі. Максимум на функції збудження при енергії 0.5 еВ добре корелює з енергетичною віддалю між атомними та іонними станами, знайденою в роботі методом екстраполяції і рівною 0.6 еВ і можна вважати, що в межах похибки калібрування енергетичних шкал вони співпадають між собою. Такий великий переріз радіаційного розпаду (410_14см2 у максимумі) підтверджує високу ймовірність розпаду 2Р станів .

Розпад дублетного 2SЅ стану можливий вже у двох каналах - в атомні 3 3Рj та 3 1S0 стани. Внесок розпаду в основний 3 1S0 стан реєструється безпосередньо в надпружному каналі, причому знайдена величина перерізу складає в максимумі 310_16 см2. Навіть за умови, що переріз розпаду в стани 3 3Рj такий самий, його внесок у заселення стану 3 3Р1 є дуже малий у порівнянні із внеском за рахунок розпаду дублетів 2Р. Енергетичне положення максимуму на кривій 1, визначене як 0.4 еВ, добре корелює з віддалю між станами 3 3Р та 2S, яка визначена і складає 0.5 еВ, і можна вважати, що в межах похибок калібрування шкал енергій вони співпадають.

Прояв розпаду 2D станів слід чекати в області нульових енергій, що може проявитися на кривих 1 і 2 у вигляді різкого росту ходу залежностейх при зменшенні енергії електронів до нульових значень. Найбільш складною представляється картина у каналі реєстрації утворених негативних іонів. Запропонована методика дозволяє реєструвати всі негативні іони, що не розпалися в області зіткнень. Знайдена величина , яка у максимумі склала 310_17 см2, вказує на їх порівняно невелику кількість.

Запропонований методичний підхід застосований і до атомів стронцію. Картина виявилася повністю подібною. Вперше було зареєстровано утворення негативних іонів стронцію на 5 3Р2 родоначальному стані, визначена енергетична залежність перерізу їх утворення та встановлена його абсолютна величина. Також в ході експерименту спостерігалося свічення спектральної лінії на довжині хвилі = 689.3 нм в області взаємодії електронного й атомного пучків. У результаті було отримано функцію збудження цього спектрального переходу. Спостерігається подібність одержаних кривих у частині співпадіння їх максимумів, що свідчить про єдину природу походження цих особливостей, і що вони відображають процес утворення й розпаду негативного іону стронцію.

Для атома магнію виявилося можливим порівняти експериментальні результати з теоретичними розрахунками надпружного процесу, які були виконані методом сильного зв'язку у наближенні R-матриці з псевдостанами. Відмічено задовільне узгодження експериментальних і теоретичних даних для енергій, більших за 0.4 еВ.

електрон метастабільний надпружний

Висновки

1. Вперше виконані комплексні дослідження процесу надпружного розсіяння електронів на метастабільних атомах магнію та стронцію, які включали в себе дослідження спектрів втрат енергій розсіяних електронів та визначення ефективних перерізів надпружного процесу.

2. Показано, що особливості, виявлені на спектрах втрат енергій розсіяних електронів на метастабільних атомах магнію та стронцію в області від'ємних втрат енергій спричинені перебігом процесу надпружного розсіяння електронів на триплетних метастабільних станах цих атомів.

3. Вперше визначені ефективні перерізи надпружного розсіяння електронів, максимальні числові значення яких складають відповідно 310_16 см2 для магнію та 2010_16 см2 для стронцію. На енергетичних залежностях перерізів надпружного розсіяння виявлена резонансна структура, для пояснення якої пропонується двоканальна модель перебігу процесу: 1) потенціальне розсіяння електрона на полі атома; 2) розсіяння через проміжкову ланку - утворення та розпад збуджених станів негативного іону. Пропонована модель дістала своє експериментальне підтвердження.

4. В області енергій електронів, менших 2 еВ для атомів магнію та стронцію вперше виявлено випромінювання спектральної лінії на довжині хвилі інтеркомбінаційного переходу. Встановлено, що дане випромінювання є результатом розпаду збуджених станів негативних іонів. Визначені ефективні перерізи збудження цих ліній, максимальні числові значення яких складають відповідно 410_14см2 для магнію та 1010_14см2 для стронцію. Запропоновано зондову методику безпосередньої реєстрації негативних іонів, яка базується на особливостях руху заряджених частинок в електричному та магнітному полях.

5. Проведена ідентифікація можливих збуджених станів негативного іону магнію трьохелектронної конфігурації 3s3p2, визначено їх енергетичне положення та детально розглянуті можливі канали їх розпаду.

6. Співставлення даних експериментальних та теоретичних досліджень процесу надпружного розсіяння електронів на метастабільних атомах магнію виявило задовільне їх узгодження для енергій електронів, більших 0.4 еВ.

Література

1. Марушка В.І., Угрин С.Ю., Шафраньош І.І. Надпружне розсіяння електронів на метастабільних атомах барію // Наук. вісн. Ужгородського ун-ту, сер. Фіз.- 1998.- №3.- С. 33-37.

2. Шафраньош І.І., Марушка В.І. Надпружне розсіяння електронів на метастабільних атомах магнію // Журн. фіз. досл. - 2000.- Т. 4, №4.- С. 415-418.

3. Shafranyosh I.I., Marushka V.I. Measurement of cross section of superelastic electron scattering from magnesium // Uzhhorod Univ. Sci. Herald.- 2000.- №8, Pt 1.- P. 125-128.

4. Шафраньош И.И., Марушка В.И. Спектроскопические исследования распада отрицательных ионов, образовавшихся при взаимодействии ілектронов с метастабильными атомами магния // Опт. и спектр.- 2001.- Т. 91, №4.- С. 591-593.

Размещено на Allbest.ru