Рассеяние ионов щелочных и некоторых щелочноземельных металлов на собственных атомах и потенциалы их взаимодействия тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ

ужгородський державний університет

Г 5 ОД

Ь ДЬЛ ‘ізо-’і

На правах рукопису

СИНИЦЬКИЙ

Орест Миколайович

УДК 539.180

РОЗСІЮВАННЯ ІОНІВ лужних ТА ДЕЯКИХ ЛУЖНОЗЕМЕЛЬНИХ МЕТАЛІВ НА ВЛАСНИХ АТОМАХ 1 ПОТЕНЦІАЛИ ЇХ ВЗАЄМОДІЇ

01.04.04-— фізична електроніка

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук

УЖГОРОД 1994

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано на кафедрі фізики напівпровідників Львівського державного університету ім.І.Франка.

Науковий керівник:

доктор фізико-математичних наук, професор ВАКАРЧУК Іван Олександрович

Офіційні опоненти:

доктор фізико-математичних наук ШАФРАНЬОШ Іван Іванович,

кандидат фізико-математичних наук КРОХМАЛЬСЬКИЙ Тарас Євстахович. -

Провідна організація:

Захист дисертації відбудеться

Інститут фізики НАН України, м.Київ ^^ 1994 р. О

год.

на засіданні спеціалізованої Ради К 068.07.02 при Ужгородському державному університеті (294000 м.Ужгород, вул.Волошина, 54).

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Ужгородського державного університету (вул.Кремлівська, 9).

’» / І

Автореферат розіслано

_1994 року.

Вчений секретар спеціалізованої Ради 068.07.02 доктор фіз.-мат. наук, професо

Блецкан Д.І.

■ ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми досліджень. Визначення точних значень потенціалів взаємодії іонів лужних і лужноземельних металів з власними атомами має як фундаментальне, так і прикладне значення для сучасної фізики. Відомості про потенціали необхідні для розрахунків різних термодинамічних і кінетичних величин, які є базовими для розв’язання ряду наукових і прикладних задач. Інтерес до іонів лужних і лужноземельних елементів зумовлений тим, що процеси з їх участю відіграють важливу роль в проведенні експериментів у навколоземному космічному просторі, в лазерній техніці, плазмохімії та інших перспективних областях науки.

Найбільшу інформацію про потенціали взаємодії частинок отримуємо з досліджень пружного розсіяння. При цьому експериментальні методи вимірювання перерізів пружного розсіяння частинок вдосконалюються, і одержані таким чином результати про потенціали взаємодії частинок безперервно розширюються, а їх достовірність зростає. Пружне розсіяння в газах пучків атомів, молекул та іонів, які мають високу енергію, дає цінні відомості про сили, що діють між взаємодіючими частинками.

Інтерес до отримання надійних даних у цій області енергій взаємодії пояснюється і необхідністю опису властивостей речовин в екстремальних умовах надвисокого стиску, тобто зближення атомів і іонів речовини на віддаль, при якій енергія взаємодії буде порядку 1-10 еВ, і може описуватись парними сферично-симетричними потенціалами.

Вивчення таких близькодіючих сил дає цінну додаткову інформацію до основних питань, що стосується електронної структури молекул. Результати, одержані за допомогою молеку-

марних пучків для наших систем також дають можливість перевірити приблизні теоретичні і напівемпіричні розрахунки.

Мета роботи. Експериментальне дослідження пружного розсіювання іонів лужних та лужноземельних металів на власних атомах і визначення на основі отриманих даних потенціалів взаємодії цих пар. '

Для досягнення цієї мети в роботі розв’язувалися наступні задачі:

- вимірювання ефективних перерізів пружного розсіяння і резонансної перезарядки від енергії іонів використовуючи метод перехресних пучків і розсіяння на малі кути;

- визначення параметрів потенціалів відштовхування і параметрів потенціалу (в широкому діапазоні міжатомних віддалей, включаючи області обмінного відштовхування, потенціального мінімуму і далекодіючого поляризаційного притягання).

Наукова новизна

1. Вперше отримані експериментальні значення повних (інтегральних) ефективних перерізів розсіяння іонів Ьі+, Ма+, К+, И>+, Сз+, і Са+ на власних атомах в області енергій 20-1000 еВ.

2. Отриманий простий і зручний для практичних розрахунків аналітичний вираз для кута розсіяння через потенціал між-частинкової взаємодії здвним виділенням в інтегральному виразі ”кут-потенціал” внеску від точки повороту, великих значень енергій і верхньої границі інтегрування.

3. Вперше з експериментальних залежностей інтегральних перерізів розсіяння від енергії іонів отримано параметри модельного потенціалу в області енергій, що охоплює сили притягання і віддітовхування.

' Практична цінність виконаних досліджень полягає в одержанні даних про потенціали взаємодії лужних і лужноземельних металів в широкій області міжядерних відстаней, що дає основу для перевірки теоретичних положень про складні процеси взаємодії іонів і атомів, внесення поправок в розрахунки енергії парної взаємодії частинок на відстанях, коли суттєву роль відіграє перекриття і деформація електронних оболонок.

На основі отриманих даних можна уточнити значення кінетичних і термодинамічних коефіцієнтів низькотемпературної плазми, використати їх для вивчення процесів у верхніх шарах атмосфери, лазерній техніці, плазмохімії тощо.

Положення, що виносяться на захист:

1. Використання методу перехресних пучків для дослідження процесів розсіяння та перезарядки іонів лужних та лужноземельних металів на власних атомах забезпечує високу точність вимірювання інтегральних перерізів пружного розсіяння та резонансної перезарядки при різних енергіях.

2. При розсіянні іонів на власних атомах перехід від дії сил поляризаційного притягання до обмінного відштовхування зсувається в сторону менших енергій при зростанні атомного номера взаємодіючих частинок.

3. Кут розсіяння описується простим аналітичним виразом через потенціал міжчастинкової взаємодії (12-6-4), отриманим завдяки явному виділенню в інтегральному виразі "кут-потенціал” внесків від точки повороту, верхньої границі інтегрування і великих значень енергії.

4. Міжчастинкова взаємодія іонів лужних і лужноземельних металів з власними атомами в широкому діапазоні міжатомних. відстаней, включаючи область мінімуму, добре описується

моделлю потенціалу (12-6-4), достатньо гнучкою в мінімумі і яка переходить у встановлені терми обмінного відштовхування і поляризаційного притягання К4Р-4, відлові дао на близьких і на далеких віддалях. ' •

Апробація роботи. Основні результати, викладені в дисертації, доповідались і обговорювались на: VI—й Всесоюзній конференції з фізики електронних і атомних зіткнень (м.Тбілісі, 1975р.); VІ1-й Всесоюзній конференції з фізики електронних і атомних зіткнень (м.Петрозаводськ, 1978р.); ІХ-й Всесоюзній конференції з фізики електронних і атомних зіткнень (м.Рига, 1984р.); III—й Всесоюзній конференції з фізики газового розряду (м.Київ, 1986р.); Х-й Всесоюзній конференції з фізики електронних і атомних зіткнень (м.Ужгород, 1988р.); 1-й Українській конференції "Структура і фізичні властивості невпорядкованих систем" (м.Львів, 1993р.).

Публікації. Основні результати дисертації опубліковані в чотирьох наукових статтях і семи тезах доповідей. Основні експерименти і теоретичні розрахунки, їх аналіз проведені особисто автором.

Структура і короткий зміст роботи. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, висновків та списку літератури. Загальний об’єм дисертації складає 145 сторінок машинопису, включаючи 31 рисунок, 12 таблиць і список літератури з 160 найменувань. •

КОРОТКИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовано актуальність теми дисертації, сформульовані мета роботи, основна задача, наукова новизна, практична цінність результатів і положення, що виносяться на’"

захист, коротко викладено зміст роботи по розділах. Наведено інформацію про апробацію роботи • та опублікування основних результатів.

У першому розділі проведено літературний огляд теоретичних і експериментальних досліджень пружного розсіяння атомних частинок і аналізуються методичні основи визначення потенціалів міжчастинкової взаємодії з даних розсіяння. Показано переваги методу пружного розсіяння, який полягає в можливості прямого вимірювання перерізів розсіяння на задані кути, які однозначно зв’язані з потенціалами взаємодії.

Викладено основні співвідношення класичної і квантової теорій розсіяння. Аналізується справедливість застосування класичної механіки для опису розсіяння швидких пучків на малі кути.

Аналіз літературних даних показав відсутність експериментальних досліджень розсіяння іонів лужних і лужноземельних металів на власних атомах.

У другому розділі дається опис експериментальної установки в цілому і її окремих вузлів, наводиться методика вимірювань залежностей ефективних перерізів пружного розсіяння

і перезарядки від енергії іонів; проводиться аналіз і обробка даних вимірювань.

Для дослідження процесу, який проходить в іонному і атомному пучках, була створена експериментальна установка, яка складалася з наступних оснозних вузлів: вакуумної камери, атомного і іонного джерел, систем формування і прискорення іонного пучка, детектування і реєстрації іонів. Апаратура дозволяла вимірювати перерізи розсіяння і перезарядки в діапазоні енергій від 20 до 1000 еВ при фіксованому апертурному куті 0,008 рад. .

' Джерелом іонів була мініатюрна циліндрична розрядна камера з гарячим катодом прямого розжарення, в яку поступають пари робочої речовини. Конструкція іонного даерела давала можливість реалізувати два способи іонізації атомів: поверхневої іонізації або утворення іонів в дузі низьковольтного розряду ліж катодом і передньою стінкою іонізаційної камери. Іони формувались в циліндричний пучок іонно-оптичною системою.

Колектором первинних іонів був циліндр Фарадея, перед яким встановлювався колектор розсіяних іонів у формі півсфери з отвором діаметром 2,8 мм посередині. Детектором повільних іонів перезарядки був квадрупольний конденсатор.

Пучки атомів теплових швидкостей отримували від ефузій-- •

ного джерела, тиск пари в якому не перевищував 5-10 Тор. Перерш атомного пучка в місці перетину його з іонним визначався за розмірами щілини діафрагми і сліду конденсованих атомів на вловлювачі і складав б«10 мма при концентрації атомів п=1і* 1+1013 см-3, а пучок іонів в місці перетину з атомами мав діаметр 1+1,3 мм при іонному струмі 1С~7 А. При таких умовах зіткнення можна вважати одноразовими, про що свідчать також експерименти, які показали незалежність перерізів розсіяння від п.

Концентрація атомів у пучку визначалась за поверхневою іонізацією і за іонізацією електронним ударом.

Метали одержували із спектрально чистих хлористих солей згідно відомих методик. Джерелом іонів лужних металів був термоемітер на основі алюмосилікатів.

Окремий параграф розділу присвячений методиці досліджень. У ньому детально описано процедуру вимірювань енергетичної залежності ефективних перерізів пружного розсіяння С

,1 резонансної перезарядки б за формулою послаблення пучка. Методика вимірювань апробувалась’шляхом порівняння власних результатів ефективних перерізів резонансної перезарядки з даними інших незалежних експериментів.

Окремий Параграф присвячений також аналізу і обробці даних вимірювань.

У третьому розділі подані основні результати вимірювань залежності інтегральних перерізів пружного розсіяння 0 і резонансної перезарядки б від енергії іонів та їх обговорення. Порівнюються результати вимірювань резонансної перезарядки з теорією і даними інших авторів, отриманими на установках з різною геометрією і різними методиками.

Всі виміряні залежності перерізів резонансної перезарядки в масштабі і£ б(18 Е) (без врахування осциляційної структури) даються прямою лінією, яка монотонно спадає із збільшенням енергії. Передбачена теорією монотонна залежність перерізів від енергії у загальному підтверджується експериментом. Розходження з теорією спостерігається лише в області низьких енергій, у цій області наші експериментальні криві дещо крутіші, ніж передбачає теорія.

Криві залежності 1р Е) мають характер двох прямолінійних ділянок з різними кутами нахилу до осі енергії. В області низьких енергій кут нахилу більший і близький до величини С.5, то визначає область переважної дії сил поляризаційного притягання, в області високих енергій - менший. Переріз розсіяння майже лінійно зменшується із зростанням енергії. Ріст атомного номера взаємодіючих пар приводить до невеликого зсуву положення зламу на кривих ^ 0(1й Е) в сторону менших енергій (від 600 еВ для системи Іл"-ІЛ до ЗШ еВ для системи Сб^-Сб). Перехідна область відповідає впливу як

притягання, так і.відштовхування, тобто,тут маємо потенціальний мінімум. Нахил кривих Їй Сі(1е Е) після зламу у високоенергетичній області відповідає переважно відштовхуванню іонів і атомів. Кути нахилу кривих до осі енергії у високо-енергетичній області спадають у міру зростання маси взаємодіючих пар. Залежність положення зламу на кривих ^ 0(І£ Е) від порядкового номера взаємодіючих елементів спадає у міру

_ „-0.24

зростання атомного номера за законом Епо .

Абсолютні значення перерізів розсіяння атсміз лужних елементів в усій області енергій зростають із збільшенням атомного номера взаємодіючих пар.

Лінійність виміряних залежностей дозволяє легко обчислити параметри сферично симетричного потенціалу У(Ю=±КїГ3, а також для області відштовхування параметри потенціалу V (к)=Аехр(-ссЯ).

Розраховані параметри К, Б, А, а і діапазони Дії їх застосування приведені в таблиці 1.

Таблиця 1

Система К, кеВ■ Б А, кеВ «, А"1 ■ДІЇ, А

ЬІ+-ЬІ 0,4 4,1 3,03 - 7,56

1.71 6,3 1,13 2,17 2,79 - 3,03

№+-Иа 0,6 4,2 3,57 - 7,78

14,88 7,6 3,41 2,30 3,09 - 3,57

К+-К 12,0 4,2 4,34 - 8,83

716,8 9,5 19,65 2,39 3,84 - 4,34

№+-№ 14,0 4,15 „ 4,62 - 9,01

3151,4 10,3 '■'-35,16 2,44 3,99 - 4,62

Сб+-Сб 20,0 4,0 5,11 - 9,61

68674,1 11.7 145,82 2,54 4,42 - 5,11

0,5 4,0 3,14 - 6,31

3,08 7,0 2,14 2,44 2,82 - 3,14

Са+-Са 12,5 4,0 3,93 - 8,37

264,5 9,2 15,23 2,48 3,48 - 3,93

У кінці розділу зроблений аналіз точності виміряних величин і розкиду експериментальних результатів. , Максимальна середньоквадратична похибка перерізів розсіяння виявилась рівною ±15% для високих енергій і ±17% для енергій, менших за 100 еВ. Розкид експериментальних значень 1е(І0/І) не перевищував 2,556 для низьких енергій.

У четвертому розділі описано спосіб відтворення модельного потенціалу міжчастинкової взаємодії на основі чисто класичних експериментальних залежностей інтегральних перерізів розсіяння від енергії іонів.

Істотна трудність при відтворенні потенціалу за даними розсіяння полягає в тому, що даному значенню кута розсіяння бомбардуючої частинки відповідає більш ніж одне значення, прицільної відстані. Для відтворення модельного потенціалу розв’язували пряму задачу розсіяння, яка полягає в тому, що для даного потенціалу обчислюємо залежність перерізу розсіяння 0 від енергії Е, а параметри потенціалу V визначаємо шляхом оптимального суміщення теоретично розрахованої кривої <2=<1(Е) з експериментально виміряними значеннями. Отримано простий і зручний для практичних розрахунків вираз для кута розсіяння 3 через потенціал міжчастинкової взаємодії з явним виділенням в інтегральному виразі внеску від точки повороту, великих значень енергії і верхньої границі інтегрування.

-і /г-

+ А , (1)

де г, - віддаль найбільшого зближення частингк, V' (г)=с!У/йг»

Ь - прицільний параметр.

Основний внесок в дає перший доданок ч (і), а величина Л « ’&• Таким чином, для знаходження V можна спочатку використати наближений вираз для -в, коли Л = О, і відновити по ньому потенціальну енергію V, а потім уточнювати значення параметрів функції V з врахуванням поправки А. Саме така програма обчислень і була реалізована.

Для розрахунків інтегральних перерізів ми використали модельний потенціал (12-6-4): с

Чт] -Чт)-‘Чт]

(4)

Глибину потенціального мінімуму є ми підбирали виходячи з експериментальних робіт. Рівноважну відстань підбирали з області значень, які визначаються умовою У0^ 0^,,/г

за найкращим слівладінням обчислених і виміряних перерізів розсіяння. У нашому випадку 0т1п - переріз при енергії іонів 1000 еВ, а 0^.. - переріз при енергії 20 еБ. Коректуючий .параметр 7 визначали з рівняння

є , ав^

З----(1-7>ї£ = *------ . <7)

2 -2

де сс - поляризованість відповідного атома.

Встановлено, що при сталості інших параметрів параметр визначено з точністю ± 2 %.

У таблиці 2 наведені одержані нами параметри потенціалу і область АИ їх застосування.

Таблиця 2

Взаємодіючі частинки Є, eB 7 А в AR, А

Li+-Li 1,27 0,10 3,10+0,05 2,79-7,56

Na+-Na . 0,98±0,02 0,28 3,57+0,04 3,09-7,78

к+-к 0,78+0,03 0,29 4,35±0,05 3,34-8,83

Rb+-Rb 0,72 0,32 4,б1±0,0б 3,99-9,01

Cs*-Cs 0,66 0,40 5,13±0,08 4,42-9,61

Mg+-Mg 1,15 0,50 3,10±0,06 2,82-6,31

Ca+-Ca - 1,04 0,53 3,93±0,08 3,48-8,37

У висновках формулюються основні результати, одержані в роботі:

1. Створена експериментальна установка для вимірювання залежностей ефективних інтегральних перерізів Нужного розсіяння і резонансної перезарядаи від енергії іонів, коли партнерами, що стикаються, є іони і атоми лужних і лужноземельних металів. Установка дозволяє проводити вимірювання для широкого класу об’єктів, включаючи метали з низькою пружністю пари. Основним методом, на якому грунтується робота установки, є метод іонного га атомного перехресних пучків.

2. Використовуючи метод перехресних пучків для дослідження процесів розсіяння та перезарядки іонів Li+, Na*, К+, Rb+, Cs+, Mg+ і Ca+ на власних атомах, вперае отримані експериментальні значення інтегральних ефективних перерізів розсіяння в області енергій 20-1000 еВ.~

3. Переконливим доказом надійності експериментальних-вимірювань є задовільне узгодження визначених перерізів резонансної перезарядки з експериментальними результатами ін-

тих авторів, які виконані на установках з суттєво відмінною геометрією і різними методами.

4. Експер;іментальні залежності інтегральних перерізів розсіяння при зростанні енергії характеризуються переходом дії сил поляризаційного притягання до сил обмінного відштовхування міх іонами і атомами.

5. Встановлено, що порогова енергія переходу бід дії сил поляризаційного притягання до обмінного відштовхування зсувається в сторону менших енергій при зростанні атомного номера взаємодіючих частинок за законом Enop ~ Z-0’24.

■б. Отримано.аналітичний вираз для кута розсіяння через потенціал міжчастинкової взаємодії з явним виділенням в інтегральному виразі "кут-потенціал" внеску від точки повороту, великих значень енергії і верхньої границі ійт'егруеання.

7. Показано, що взаємодія іонів луяних і лужноземельних металів з власними атомами в широкій області міЯсйдерних відстаней добре описується моделлю потенціалу мейсона-шампа (12-6-4), який переходить у встановлені терми обмінного від-ьтовхування K^Ff12 і поляризаційного притягання K4R~4 на близьких і далеких віддалях відповідно. .

в. За експериментальними результатами перерізів розсі- ■ яння визначені параметри модельного потенціалу (глибини 'потенціального мінімуму є і рівноважної міжядєрної віддалі Fs ), а також параметри потенціалів V (R) = і

V(R) = Aexp(-aR) і встановлено області їх застосування.

Основні'результати дисертації опубліковано в наступних роботах:"'

1. Синииький О.М. Розсіювання і пєрезарядка іонів на атомах у магнії // Віск. Львів, ун-ту. Сер.фіз. Матеріали для

електронної техніки.- Львів: Вища шк., 1977.- вип.12.-С.85-88.

2. Злупко В.Н., Синицкий О.Н. Рассеяние ионов щелочных- металлов на собственных атомах // УФЖ.- 1987.- Т.32, »7.-

С.101-105ч

3. Вакарчук И.А., Злупко В.Н., Синицкий О.Н. Потенциал* взаимодействия ионов щелочных металлов с собственными атомами //Киев, 1988.- 10с. (Рукопись ДЄП.В ВИНИТИ ЖЇ274-В88).

4. Злупко В.Н., Савчин Л.С., Синицкий О.Н. Рассеяние ионов

и Са+ на собственных атомах и потенциалы их взаимодействия // Киев, 1989.- 12с. (Рукопись деп. в ВИНИТИ № 2156-В89).

5. Злупко В.Н., Синицкий О.Н. Образование молекулярных ионов щелочных металлов в плазме атомарного пара // III Всесоюзн. конф. по физике газового разряда. Тез. докл., Киев, 21-23 окт. 1986 г.- Киев: Изд-во Киев, унта, 1986.- 4.2.- С.219-220.

6. Синицький О.М. Оцінка потенціалів взаємодії для іонів лужних металів з власними атомами // І Укр. конф. "Структура і фізичні властивості невпорядкованих систем”. Тез. доп. 12-16 жовтня 1993р.- Львів, 1993.- ч.2.~ С.129.

Синицкий О.Н. Рассеяние ионов щелочных и некоторых щелочноземельных металлов на собственных атомах и потенциалы их взаимодействия.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физикоматематических наук по специальности 01.04.04 - физическая электроника, Ужгородский гос. ун-т, Ужгород, 1994.

Защищаются результаты экспериментальных исследоваий упругого рассеяния и перезарядки ионов щелочных и щелочноземельных металлов на собственных атомах. Установлено, что взаимодействие ионов с собственными атомами в широком диапазоне межатомных расстояний хорошо описывается моделью потенциала (12-6-4). По экспериментальным результатам сечений упругого рассеяния определены параметры модельного потенциала и области их применения.

Ключові слова:

пружне розсіяння, потенціали взаємодії, перезарядка.

Synytskyi О. Scattering oi alcali and some alkali earth metals ■ ions on intrinsic atoms and their interaction potentials. .

Thesis for a Ph.D. degree at field 01.04.04 - physical electronics, Uzhgorod State University. Uzhgorod, 1994. • The results of the experimental investigation of elastic scattering and resonanse recharging of alKali and alkali earth metals ions on the intrinsic atoms are defended. It is found that interaction of ions with intrinsic atoms is described by (12-6-4) potential for wide range of interatomic distances. The parameters of model potential and.the limits of its application are found from the experimental results

of elastic scattering cross-sections