Atom ve molekülün yapısının incelenmesinde çarpışma teknikleri

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)