CC BY
16
УДК 537.525
О ПЕРЕДАЧЕ МОМЕНТА ИМПУЛЬСА ПРИ ВОЗБУЖДЕНИИ ЭЛЕКТРОННЫХ СОСТОЯНИЙ МОЛЕКУЛ ЭЛЕКТРОНАМИ РАЗНЫХ ЭНЕРГИЙ
С. Н. Андреев1, В. Н. Очкин1'2, С. Ю. Савинов1'2, С. Н. Цхай1
Измерены, интенсивности линий Iq(i) и Iq(3) колебательного перехода v' = 0 ^ v" = 0 системы полос Фул-хера при возбуждении молекул, водорода электронным пучком. Энергия электронов в пучке £e = 15... 30 эВ, (Aee ~ 1 эВ). Оценены эффективные сечения, для, процессов возбуждения состояния Н2 (d3nu, v = 0) электронным, уда,роль как без изменения, момента, импульса, молекулы,, так и с заметной переда,чей момента, импульса. Процессы с заметной переда,чей момента, ■импульса, наиболее эффективны, в припороговой области энергий возбуждения (Ethr = 14 эВ < Ee < 18 эВ), и связаны с образованием промежуточной составной системы, отрицательного иона, в квазидискретном состоянии.
Ключевые слова: электронный удар, промежуточная составная система, отрицательный ион в квазидискретном состоянии, передача момента импульса, возбужденные электронные состояния молекул.
Введение. Возбуждение электронных состояний молекул электронным ударом исследовалось многократно (см. ссылки, напр.. в [1 8]). Интерес к этим исследованиям обусловлен, прежде всего, тем. что измерения интенсивностей вращательных линий электронно-колебательных полос молекулярных спектров лежат в основе спектральных методов диагностики плазмы и газовых потоков [5]. Наиболее подробная информация извлекается из экспериментов с электронными пучками, распространяющимися в газе из исследуемых молекул или со скрещенными электронно-молекулярными пучками. Измерения интенсивности свечения полос в возбужденных спектрах в зависимости от
1 ФИАН, 119991 Россия, Москва, Ленинский пр-т, 53; e-mail: [email protected].
2 Московский физико-технический институт (государственный университет), МФТИ, 141700 Россия,
Московская обл., г. Долгопрудный, Институтский пер., 9.
энергии электронов (оптические функции возбуждения) дают сведения о вероятности электронно-молекулярных неупругих столкновений. В подобного рода экспериментах молекулы находятся преимущественно в основном электронно-колебательном состоянии и для определения сечения возбуждения отделы пых колеоательных уровней возбужденных электронных состояний достаточно монохроматизации энергий электронов пучка ~0.1Ч).3 эВ, что сочетается с возможностями регистрации возникающего свечения [9]. Характерный же масштаб вращательной структуры для не слишком легких молекул ~10"3 эВ, поэтому в основном электронно-колебательном состоянии, как правило. заселено значительное количество вращательных уровней. Это обстоятельство затрудняет определение сечений индивидуальных вращательных переходов. Длительное время при этих оостоятельствах доминировала точка зрения, что при возбуждении электронно-колебательных состояний легкий электрон не передает молекуле сколь-нибудь заметного момента импульса.
Будем характеризовать состояние молекулы полным моментом импульса (без спина) К (с квантовым числом К), складывающимся из орбитального момента связанных электронов и момента вращения ядер. Тогда при возбуждении электронным ударом должно выполняться правило отбора АК = К' — К0 = 0 (штрихованные величины относятся к 0
Отсюда следует, что если в основном электронном состоянии вращательное распределение - больцмановское, то между вращательными температурами Т° и Т'к основного и возбужденного состоянии выполняется соотношение
где Б^ и Б0, соответствующие вращательные постоянные. Это положение резюмировано, в частности, в известной монографии [6]. Соотношение (1) используется для определения температуры нейтральной компоненты плазмы по относительным интен-сивностям вращательных линий электронно-колебательных полос спектра излучения молекулы. Однако анализ результатов последующих экспериментов по возбуждению электронных состояний молекул показал, что реальная ситуация сложнее. Эксперименты в работе [10] показали, что в условиях газоразрядной плазмы при возбуждении электронных состояний молекул электронным ударом возможна передача молекуле значительных моментов импульса. Анализ экспериментальных данных по скоростям заселения электронно-колебательно-вратцательньтх уровней молекулы водорода электронным ударом, проведенный в [11]. позволил выяснить физический механизм передачи момента импульса молекулам при их возбуждении в низкотемпературной плазме, и
0 ' ' 0 ТПБо = ТПБо >
(1)
разработать модель для расчета относительных вероятностей возбуждения вращательных уровней. В основе этой модели лежит предположение, что доминирующий процесс возбуждения электронных состояний молекул в плазме должен происходить через образование промежуточной составной системы отрицательного иона в квазидискретном состоянии, при этом температура электронов предполагалась заданной. В настоящей работе исследуется влияние энергии электронов на эффективность передачи момента импульса.
Эксперимент. Нами были проведены эксперименты по возбуждению Н2 электронным пучком. Техника и методика проведения измерений описана в [12]. Давление водорода в камере взаимодействия пучка с газом составляло (5 — 9) • 10_3 Topp, ток пучка (4 — 5) • 10"6 А. В условиях малого тока и малых плотностей молекул температура газа в камере составляла T ~ 300 К. Были измерены интенсивности линий Iq(i) и Iq(3) колебательного перехода v' = 0 ^ v" = 0 системы полос Фулхера d3n — a3S. Исследования проводились при £e = 15... 30 эВ, разброс энергий в используемом электронном пучке Aee ~ 1 эВ. Снизу энергия ограничена порогом реакции
H2(X) + е ^ H2(d3nu) + e', (2)
составляющим Ethr = 13.97 эВ. Верхний предел (30 эВ) исключает возможность возбуждения водорода вторичными электронами, образующимися при ионизации
H2(X*£+) + е ^ H2+(X2S) + е' + е''. (3)
Порог реакции (3) - Ei = 15.43 эВ. Если первичные электроны е обладают энергией £e > Ei + Ethr, то электроны е' или (и) е" могут давать вклад в процесс (2).
Результаты и их обсуждение. На рис. 1 представлена зависимость интенсивности линии Iq(i) от энергии возбуждающих электронов в относительных единицах (зависи-
Ee = 15
Iq(i) равнялась 1. Видно, что с ростом Ee сначала наблюдается увеличение интенсивности линии, затем в окрестности Ee & 23 эВ значительный спад и при 23 эВ< Ee <30 эВ достаточно медленное уменьшение интенсивности линии. Так при изменении энергии электронов от Ee = 18 эВ до Ee = 23 эВ ^^^етсивность Iq(i) уменьшилась более чем в три раза, при увеличении энергии электронов от Ee = 23 эВ до Ee = 30 эВ Iq(i) уменьшилась в 1.75 раз.
Инвариантность гамильтониана гомоядерной молекулы относительно перестановки ядер определяет различную кратность вырождения вращательных уровней. В соответствии с симметрией координатной части полной волновой функции (симметричная
Рис. 1: Зависимости интенсивности линии /д(1) (1) и А/д(3) (АК = 2) (2) от энергии электронов (в относительных единицах).
в, антисимметричная - а) по отношению к операции перестановки ядер с иолу целым ядерным спином I, ядерные статистические веса молекулы соотносятся как
9~ = (4)
9 а г + 1 1 ;
Для водорода г = 1/2 и д8/да = 1/3. ^^^^^^ спин молекулы I может
принимать значения I = 0 и 1 (пара- и ортоводород соответствен но). Значение I = 0 соответствует симметричным вращательным уровням (К - четное), I = 1 - ансиммет-К
спинов с электронами вероятность изменения суммарного ядерного спина молекулы при возбуждении электронным ударом очень мала, т.е. орто- и парамодификации не переходят одна в другую при возбуждении молекулы и их можно рассматривать как два различных газа. В табл. 1 представлены относительные заселенности NK вращательных уровней К0 основного электронного состояния Н2(X1Е+, V = 0) при Т = 300 К. Для ортоводорода экспериментальные данные нормированы условием, чтобы сумма за-селенностей вращательных уровней равнялась 1, при этом соответствующая сумма для параводорода оказывается в 3 раза меньшей. Для удобства сравнения делитель 3 выне-
сен за скобки. Из табл. 1 видно, что в исследуемых условиях в основном электронном состоянии Н2(Х ,V = 0) у ортоводорода заселено практически лишь два вращательный уровня (К0 = 1, 3), причем 90% молекул заселяют уровень К0 = 1 и 10% - уровень К0 = 3.
Таблица 1
Относительные заселенности N° вращательных уровней К0 основного электронного
состояния Н2(Х = 0) при Т = 300 К
К 0 N 0
0, параводород (0.5397) :3
1, ортоводород 0.8946
2, параводород (0.4479) :3
3, ортоводород 0.1046
4, параводород (0.0124) :3
5, ортоводород 8•10"4
Поскольку заселенность уровня основного состояния X = 0 с К0 = 1 почти
на порядок величины больше заселенности X = 0 с К0 = 3, можно считать, что
уровень а!3Пи, V = 0 К' = 1 заселяется в результате возбуждения молекул ортоводорода прямым электронным ударом без изменения момента импульса молекулы, т.е. при переходе К0 = 1 ^ К' = 1(ДК = К' — К0 = 0). Соответственно, зависимость для линии Q(1), приведенная на рис. 1, представляет собой эффективное сечение для процесса возбуждения состояния а!3Пи, V = 0 электронным ударом без изменения момента импульса молекулы.
Уровень ^3Пи, V = 0 К = 3 заселяется как при переходах К0 = 3 ^ К' = 3(ДК = К' — К0 = 0), так и при переходах К0 = 1 ^ К' = 3(ДК = К' — К0 = 2). В [11] уста-новлбно, что переходы с ДК > 1 могут происходить только через стадию образования короткоживутцих отрицательно заряженных молекулярных ионов в квазидискретных состояниях. Вклад Д1 процессов с ДК > 1 в интенсивность ^(3) легко вычислить по формуле
Д^(3)(ДК = 2) = ^(3) — ^(1) = 1) • (5)
Величину Д^(3)(ДК = 2) можно использовать как характеристику эффективности процессов, идущих через образование короткоживутцих отрицательных молекулярных ионов. На рис. 1 в относительных единицах представлена зависимость Д^(3)(ДК = 2)
(зависимость 2) от энергии электронов. Зависимость нормирована условием, чтобы при Ee = 15 эВ A/q(3)(AK = 2) = 1. Эта зависимость характеризует эффективное сечение для процессов возбуждения электронного состояния d?nu,v = 0 молекул водорода с заметной передачей момента импульса. Из рис. 1 видно, что при Ee < 18 эВ эффективность таких процессов весьма высока, далее с ростом энергии электронов наблюдается резкий спад - при изменении энергии от Ee = 18 эВ до Ee = 23 эВ величина AIq(3)(AK = 2) уменьшается почти в шесть раз, а при Ee > 30 эВ процессы возбуждения через образование короткоживутцих отрицательно заряженных молекулярных ионов практически не идут. Уровень XlY+,v = 0 с K0 = 1 может заселяться как с образованием короткоживутцих отрицательно заряженных молекулярных ионов, так и в результате ооычных процессов возбуждения электронным ударом. Сопоставление зависимостей 1 и 2, представленных на рис. 1, показывает, что возбуждение электронного состояния X1 S+,v = 0 электронами с энергией Ee < 18 эВ происходит через образование промежуточной составной системы отрицательного иона в квазидискретном состоянии. При 18 эВ < Ee < 23 эВ вклад процессов как с образованием короткоживутцих отрицательно заряженных молекулярных ионов, так и в результате обычных процессов
Ee > 25
доминируют ооычные процессы возбуждения электронным ударом.
Работа выполнена за счет средств Российского научного фонда (Проект Л"2 14-0200784).
ЛИТЕРАТУРА
[1] Б. М. Смирнов, Атомные столкновения, и элементарные процессы в плазме (М., Атомиздат, 1968).
[2] Г. Ф. Друкарев, Столкновение электронов с атомами и молекулами (М., Наука, 1978).
[3] А. В. Елецкий, Б. М. Смирнов, Элементарные процессы в плазме в: Энциклопедия, низкотелтературной плазмы. Вводный том 1 под редакцией В.Е. Фортова (М., Наука, 2000), с. 190-266.
[4] S. Adamsoii, V. Astapeuko, М. Demiiiskii, et al., Chem. Phys. Lett. 436, 308 (2007).
[5] В. H. Очкин, Спектроскопия, низкотелтературной плазмы, (М., Физматлит, 2010).
[6] G. Herzberg; Molecular spectra and molecular structure. 1. Spectra of diatomic molecules. 2nd ed. X.Y.: D. van Xostrand, 1951.
[7] В. H. Очкин, С. К). Савинов, Н. Н. Соболев, Труды ФИАН 157, 6 (1985).
[8] Д. К. Оторбаев, В. Н. Очкин, П. Л. Рубин и др.. Труды ФИАН 157. 86 (1985).
[9] В. В. Скубенич, М. М. Повч. И. П. Запесочньтй. Хим. вьтс. энергий. 11. 116 (1977).
[10] Д. К. Оторбаев. В. Н. Очкин. С. К). Савинов и др.. Письма в ЖЭТФ 28(6), 424 (1978).
[11] С. Н. Андреев. В. Н. Очкин. С. К). Савинов. С. Н. Цхай. ЖЭТФ 135(6), 1079 (2009).
[12] Е. Иованович Курепа, Я. Марендич, С. К). Савинов, Краткие сообщения по физике ФИАН, № 8, 56 (1983).
[13] A. Farkas, Orthohyrogen, parahydrogen and, heavy hydrogen (Cambridge University Press, 1935).
Поступила в редакцию 26 ноября 2014 г.
