Atom ve molekülün yapısının incelenmesinde çarpışma teknikleri
Transkript
Atom ve molekülün yapısının incelenmesinde çarpışma teknikleri
I. ULUSAL PARÇACIK HIZLANDIRICILARI ve UYGULAMALARI KONGRESi 25-26 EKiM 2001, TAEK, ANKARA DÜŞÜK ENERJİLİ İYON-ATOM ÇARPIŞMASINDA TEK ELEKTRON YAKALANMASI Kadir AKGÜNGÖR*, Nafiye Göneç KIYAK*, Emanuel KAMBER** * Işık Üniversitesi ** Western Michigan Üniversitesi ÖZET Temelde atomun yapısını incelemeyi hedefleyen düşük enerjili iyon – atom çarpışmalarındaki en olası işlem, tek elektron yakalanmasıdır. Bu çalışmada Van de Graaff hızlandırıcısı kullanarak elde edilen düşük enerjili (E=10qeV – 100qeV) Ar+q (q=3-6) iyonları ile He ve Ne atomlarının çarpışmasındaki tek elektron yakalanması küçük saçılma açılarda incelenmiştir. Öteleme enerji spektroskopisi tekniği kullanılan deney düzeneği ile her bir çarpışma sistemi için enerji seviyesi seçimli yakalanma differensiyel etkin kesiti (dσ/dΩ), öteleme enerji spektroskopisi ve toplam etkin kesit (σ) ölçülmüştür. Sonuç olarak, elektronun iyondaki sadece bir kaç enerji seviyesinde yakalanma olasılağının ölçülebilir büyüklükte olduğu gözlenmiştir. Deney sonuçları, yarı klasik olan Landau-Zener yakalanma olasılığına dayalı model ve daha önce yapılan ölçümlerle karşılaştırılmıştır. Anahtar Kelimeler iyon atom çarpışması, elektron yakalanması, öteleme enerji spektroskopisi SUNUŞ Deney Düzeneği Faraday kabında toplanır. Oluşan değişik yüklerdeki iyonlar L1 , L2 ve itici plakalarına uygulanan potansiyel altında hızlanır ve kütle spektrometresine (çift odaklı elektromıknatıs) yönlenir. Burada istenilen büyüklükte manyetik alan yaratılarak yük seçimi yapılır ve yönlendirme plakaları yardımıyla istenilen yüke sahip iyon demeti hedef atomlarla buluşacağı çarpışma hücresine girer. 1 ve 2mm giriş ve çıkış delikleri bulunan, 3mm genişlikli bu hücrede hedef gazla (He veya Ne) çarpışması sonucu saçılan iyon, A1 açı seçicisinden geçerek çift odaklı küresel spektrometrede elektrik alan etkisiyle enerjisine göre ayrışarak konum belirleyici dedektöre ulaşır. Bu dedektör çok kanallı plaka (Multi Channel Plate) ve konum duyarlı anoddan (Position Sensetive Anod) oluşmaktadır. İyonların kanallara çarpmasıyla elektron sayısı artar ve konum duyarlı anod ise üzerine düşen elektronları mesafeyle elektriksel direncin değişimini kullanarak elektrik sinyaline dönüştürür. Sinyallerin analizinden de konum belirlenebilir. Öteleme enerjisi tekniği kullanmak üzere hazırlanan düzenek (Şekil 1.) iyon kaynağı, kütle spektrometresi, çarpışma hücresi, çift odaklı küresel elektrostatik spektrometre ve konum belirleyici dedektörden oluşmaktadır. Hızlandırıcıdan gelen hızlı iyon demeti (25 MeV enerjili F4+) düşük enerjili iyon kaynağında (şekildeki çarpışma bölgesi) farklı yüklü iyonlar oluşturmak üzere düşük yoğunluklu gazla (bu durumda Ar ile) çarpışır ve Hazırlanan bu deney düzeneği, düşük enerjili iyonların atomlarla çarpışması sonucu elektron yakalamalarını kazandıkları öteleme enerjisinin analizine imkan vererek, çarpışma sonucu elektronun yakalandığı enerji seviyesini farklı saçılma açılarında belirleme olanağı sağlamaktadır. İyonun kazandığı enerji Q, çarpışmadan sonraki enerjisi (E) ile çarpışma öncesi enerjisi (Eo) arasındaki farktır. İyonların çarpışmadan önceki ve Atom ve molekülün yapısının incelenmesinde çarpışma teknikleri oldukca sık kullanılmaktadır. Düşük enerjili iyon-atom çarpışmalarının incelenmesi her nekadar astrofizikde olduğu gibi [1] uygulama alanları buluyorsa da temelde atomik yapıyı incelemeyi hedefler. Çarpışma sonusunda şu üç temel olaydan biri veya bileşkeleri gerçekleşir: Uyarılma, iyonlaşma ve elektron yakalanması. Düşük enerjili çarpışmalarda en muhtemel olay elektron yakalanmasıdır. Elektron iyon tarafından yakalanırken atomu uyarabilir ve/veya elektron açığa çıkartabilir. Bu çalışmada Western Michigan Üniversitesindeki Van de Graaff hızlandırıcısı kullanarak Arq+ (q=3-6) iyonları ile He ve Ne atomlarının çarpışmasındaki tek elektron yakalanması öteleme enerjisi tekniği kullanılarak incelenmiştir. Çift Odaklı Küresel Spektrometre Karbon Foil 25 MeV F4+ İyon Demeti Gaz Jet Girişi İtici Çarpışma Bölgesi Hedef Gaz Girişi 4’lü Ayarlanabilir Aralık Einsel Odaklayıcı Çarpışma Hücresi Faraday Kabı Yönlendirme Plakaları Çift Odaklı Elektromıknatıs Şekil 1. Deney Düzeneği sonraki enerjileri çift odaklı küresel spektrometreye uygulanan potansiyel farkı ile orantılı olduğundan Q değeri bu potansiyel farkları cinsinden ifade edilebilir. Kullanılan spektrometre 1 eV luk hassasiyete sahiptir. Deney Sonuçları ve Değerlendirme Bu çalışmada Ar+q (q=3-6) iyonlarının Ne He ile çarpışmaları yukardaki deney düzeneği kullanılarak incelenmiştir. Yer darlığı nedeniyle burada bütün sonuçlar yerine bir kaç tane sonuç sunulmuştur. İyonlar için Q değerleri Baskin’den [2] alınmıştır. Şekil 2 de 120 eV Ar4+ iyonunun Ne atomuyla çarpışması sonucunda oluşan Ar3+ iyonlarının öteleme enerjisi kazanımı farklı açılarda görülmektedir. 0o saçılma açısında görüldüğü gibi, elektron temel Ar4+(3p2 3P) seviyeden Ar3+ iyonunun 3d 2D ve 4P uyarılmış seviyelerine geçmiştir. Ayrıca 14.5 eV civarındaki ikinci geniş tepe ise Ar3+ iyonunun 3d 4D ve 4F seviyelerinde de yakalanmanın olduğunu ortaya çıkartmaktadır. Q=9 eV civarında görülen tepecik ise Ar3+ iyonunun 3d 2 F, 3p2(1D)3d 2D ve 4s 4P enerji seviyelerinde geçişinin diğer seviyelere göre daha az miktarda olarak gerçekleştiğinin işaretidir. Saçılma açısı arttıkca 3p2(3P)3d 4D ve 4F 2 seviyeleriyle F seviyesinde yakalanma bağıl olarak artmaktadır. Ayrıca saçılma açısı 0o den 5.3o ye ulaşıldığında 2 eV luk enerji azalması gözlenmektedir. Bu enerjideki kayma klasik mekanikdeki esnek olmayan çarpışmayla açıklanmaktadır. [3] Şekil 3 de ise Ar4+ iyonlarının Ne ile farklı enerjilerde çarpışması sonucunda oluşan Ar3+ iyonlarının 0o saçılma açısında yakalandığı enerji seviyeleri görülmektedir. Çarpışma enerjisinin artmasıyla birlikte bağlanma enerjisi daha büyük olan seviyelere yakalanma olsılığı artmaktadır. Bu sonucu klasik olarak da anlamak mümkün; enerji arttıkça, atomla etkileşme iyonun daha iç seviyelerinde gerçekleşiyor olmakta. Ayrıca şekilde Landau-Zener [4,5] ve klasik bariyer [6] modelleri ile de karşılaştırma sunulmaktadır. Her iki teorik modelde sadece birer maksimum vermesi sebebiyle yeterli kalmamakta, ancak Q değerleri için oldukca yakın kestirimlerde bulunmaktadır. Deney düzeneğindeki A1 açı seçicisinin kaldırılmasıyla tüm açılarda saçılan tek elektron yakalamış iyonların dedektöre ulaşması sağlanmış olur. Yük ve çarpışma enerjilerinin değiştirilmesi ile farklı yük ve enerji için bağıl yakalanma etkin kesiti yutan küre modeli 3 kat civarında daha büyük değer kestirimde bulunurken, klasik barier modeli daha düşük değer öngörmektedir. bulunabilmektedir. Daha önce yapılan benzeri çalışmadaki toplam etkin kesit değeri kullanılarak bağıl etkin kesitler mutlak değere çevrilmiştir. Şekil 4 de Arq+ (q=4 - 6) iyonlarının He ile farklı enerjilerde tek elektron yakalama toplam etkin kesitleri görülmektedir. Şekilden de görüldüğü gibi ilgili enerji aralığında toplam etkin kesit ani değişim göstermemektedir. Genel olarak diğer ölçümlerle uyum içinde olmasına rağmen Okuno’nun [7] ölçümleri Ar6+-He için düşük enerjilerde yüksek çıkmakta. Ayrıca şekilde Müller-Salzborn [8], Landau-Zener, klasik barier, yutan küre [9] teorik modelleri ile karşılaştırılmaktadır. Görüldüğü gibi Şekil 5 de ise Arq+ iyonlarının Ne atomuyla farklı enerji ile çarpışması sonu elde edilen diferensiyel etkin kesit görülmektedir. Düşük açılarıda saçılmanın olduğunun göstergesi olmakla beraber, bu konudaki teorik çalışmaların, deneysel sonuca en uygun çarpışma sistemleri seçilmiş olmasına karşın, yetersizliğini vurgulamaktadır. Buradaki teorik hesaplamalar Landau-Zener modeliyle yapılmıştır. 2 S 2P 4F 2P 3p 4 500 2F 3p2(3P)3d 400 3p 2(1D)3d 300 4s 200 2D 4 P 2D 4D 2G 2F 2D Ar4+ - Ne E = 120 eV 2 = 0o 4P 100 0 400 2 = 2o 300 İYON SAYISI 200 100 0 400 2 = 3.9o 300 200 100 0 300 2 = 5.3o 200 100 0 0 5 10 15 20 25 Q (eV) Şekil 2. 120 eV çarpışma enerjili Ar4+ iyonlarının Ne atomlarıyla çarpışmasıyla elde edilen farklı açılardaki öteleme enerjisi spektroskopisi. 2 S 2 D 4F 2 3p4 750 3p2(3P)3d 600 3p2(1D)3d 450 2 F 2 2 D 4P D 4 2 G 2 F 4s 4P 300 P P 2 D Ar4+ - Ne θ = 0o E = 60 eV 150 0 400 E = 120 eV 300 İYON SAYISI 200 100 0 300 E = 200 eV 200 100 0 1000 800 E = 300 eV 600 400 200 0 0 5 10 15 20 25 Q (eV) Şekil 3. Farklı çarpışma enerjilerindeki Ar4+ iyonlarının Ne atomlarıyla çarpışmalarının 0 o saçılma açısındaki öteleme enerjisi spektroskopisi. 50 Ar4+ - He 40 30 20 10 Etkin Kesit (10-16 cm2) 0 50 Ar5+ - He 40 30 20 10 0 70 Ar6+ - He 60 50 40 30 20 10 0 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Çarpışma Enerjisi (eV) Şekil 4. Arq+ (q=4-6) iyonlarının farklı enerjilerde He atomlarıyla çarpışması sonucu tek elektron yakalama etkin kesitleri. Burada dolu daireler sunulan çalışmayı, kareler Suzuki’nin [7], üçgenler Andersson’un [10], boş daireler Justiniano’nun [11] deneysel sonuçlarını, kesikli çizgi yutan küre, noktalı kesikli çizgi barier, iki noktalı kesikli çizgi Landau-Zener, noktalardan oluşan çizgi ise Müller-Salzborn teorik modellerinin sonuçlarını göstermektedir. 18000 Ar4+ - Ne 15000 E = 200 eV 12000 9000 6000 3000 dσ σ/dΩ Ω (keyfi br.) 0 18000 Ar5+ - Ne 15000 E = 150 eV 12000 9000 6000 3000 0 Ar6+ - Ne 25000 E = 600 eV 20000 15000 10000 5000 0 0 1 2 3 4 5 6 θ (derece) Şekil 5. Farklı Ar iyonlarının Ne ile çarpışması sonucu tek elektron yakalamasının farklı enerjilerdeki diferensiyel etkin kesiti ve Landau-Zener teorik modeliyle karşılaştırılması. Kaynakça [1] Peqignot, D. Astronomy Astrophysics 81, 356 (1980) [2] Baskin, S. ve Stoner, J.O. Atomic Enerji Levels and Grotrian Diagrams. North Holland, Amsterdam, (1978) [3] Cooks, R.G. Collision Spectroscopy, Plenum Press, New York, (1978) [4] Landau, L.D. Physics Z. Sovietunion 2, 46 (1932) [5] Zener, C. Prog. R. Soc. London A 137, 696 (1932) [6] Niehaus, A. J.Physics B 19, 2925 (1986) [7] Suzuki, K., Okuno, K. ve Kobayashi, N. Physica Scripta T 73, 172 (1997) [8] Müller, A. ve Salzborn, E. Phys Lett A 62, 391 (1977) [9] Olson, R.E. ve Salop, A., Phys. Rev. A 14, 579 (1976) [10] Andersson, L. R. VI th Int. Conf. On the Physics of Highly Charged Ions, AIP New York, 63 (1978) [11] Justiniano, E., Cocke, C.L., Phys. Rev. A 29, 1088 (1984)