Введение к работе
Актуальность теки
Исследование процессов с участием заряженных частиц представляет большой интерес как для фундаментальной науки, так, и для ряда практических приложений, таких как изучение физики и химии атмосферы Зенли и межзвездного пространства, газового разряда, плазнохимия и Функционирование различного рода энергетических установок.
Установка по исследованию распадающейся плазмы в потоке позволяет но только определять константы скорости отдельных ионно-нолеку-лярных реакций, но и проводить комплексное исследование достаточно сложной кинетики ионных превращений и определение механизма реакций. Такой подход можно рассматривать как лабораторное моделирование процессов, происходящих d атмосфере и энергетических установках. Так, например, моделировались процессы с участием' заряженных частиц, происходящие в ионосфере Земли на высотах 30-100 кн, в аргоно-азот-ной и аргоно-метановой плазне в присутствии паров воды.
Особое внимание было уделено реакциям образования, превращений и распада ионных кластеров - комплексных ионов, состоящих из центрального яона и окружающей его оболочки (<шубы>) из нейтральных молекул, которые, в отличие от реакций <голых> ионов, изучены мало, хотя они играют весьма значительную, если'не определяющую, роль в реальных системах при повышенных давлениях и низких температурах.
На установке а скрещенных пучках проводились измерения инграль-ных сечений ионно-молокулярных реакций как функции энергии столкновений в диапазоне от десятков миллиэлектроновольт до десятков зВ, я достигнутое экстремально высокое энергетическое разрешение позволило
впервые обнаружить тонкие структуры а сечении реакций, отражающие особенности реакционного механизма, такие как влияние вибронных уровней промежуточного комплекса или образование продуктов реакции в возбужденном состоянии.
Полученные результаты привлекли большое внимание различных теоретических групп, поскольку они дают возможность проникнуть иглубь фундаментальных аспектов ионно-молекулярных взаимодействий вплоть до точного построения поверхностей потенциальной анергии. Практическое приложение этих работ было в основном сконцентрировано на изучении процессов, происходящих в коемнчоском пространство, в частности, в плотных межзвездных облаках, где температуры (энергии реагирующих частиц) чрезвычайно низки. В качестве примера можно привести изучение реакции атомарного иона азота с водородон, которая в ранках базовой гипотезы является ключевым звоном в цепочки ионно-молекулярных реакций, ведущих к синтезу аммиака в плотных межзвездных облаках.
Научная новизна
Создана установка и разработана оригинальная методика онридоли-ния констант скорости ионно-молекулярных реакций (НИР) в потоки с учетом эффектов перемешивания реагентов. Па этой установке исследованы более 40 ИМР- и более, чем дли 10 впориыо изморены константы скорости реакции.
Обнаружено, что некоторый реакции кластеризации протекают но эффективному второму порядку ужо при давлении 1 Торр, например
Н*(Н„ О) + II О ^-> «'(НО) (л*3); 0, + 0 —» 0* ; (1)
2 n 2 2 п * I А ?, ^
что объяснено относительно большим променем жизни проножуточногс комплекса.
Показано, что реакция перезарядки Аг*+ N. > N н Аг протекает
при малых энергиях преимущественно с образованием колебательно возбужденных продуктов N*{V = 1), несмотря на эндотермичность отогс процесса, и впервые в явном виде обнаружен порог зтой реакции при энергии Е - О,095 эВ. Также впервые обнаружены структуры в энергетической зависимости сечения реакции, соответствующие образовании; продуктов в возбужденных состояниях Н*(Х2 , V - 2) и N*(Вг ). Об-
2 у Л II
наружено, что образованно последнего является также очень эффективным процессом при перезарядке на азото ионов N* и по крайней мере на порядок превышает эффективность образовании продуктов в основном состоянии.
Вперпыо измерена константа скорости реакции переноса атома D в реакции ионов Лг* с CD в конкуренции с переносом электрона с диссоциацией продукта. Обнаружено, что напал переноса тяжелой частицы составляет менее IX, что подтверждает механизм взаимодействия, при котором первоначально происходит перенос электрона на относительно больших расстояниях (до образования стелкновительного комплекса) ,
Благодаря достигнутому рекордному разрешению по энергиям на
установке d скрошенных пучках обнаружен ряд структур в энергетичес
ких зависимостях сечения реакций А*+ X > АХ*+ X (А - Аг, М ; X <
= Я. D), происхождение которых обосновано открытием, по мере возрастания энергии столкновений, новых каналов реакции через возбуидвниые состояния проможуточных перезарядочных комплексов [А - X*).
Практическая ценность работы
Полученные п работе результаты могут быть использованы:
для моделирования процессов в атмосфере Земли и межзвездном пространстве;
при разработке и оптимизации конструкций плазменных, газоразрядных и других энергетических установок;
для дальнайшого развития теоретических представлений о фундаментальной природо ионно-молекулярных взаимодействий.
На эаииту выносятся:
усовершенствованные методики исследований ионно-молекулярных реакций котояаня распадавшейся плазмы в потоке и скрещенных пучков я процедуры определения констант скорости а интегральных сечений реакции;
экспериментальные значения констант скорости более 40 ИНР, измеренные при Т « 300 К, а также несколько констант равновесия;
экспериментальное обнаружение эффективного второго порядка для реакций присоединения fl) и предложенное объяснение' этого факта большим временем жизни промежуточного комплекса;
механизм реакции перезарядки Аг* + Н > N*+ Аг, при которой
основным каналом при налых энергиях является эндотермичное образование продуктов в первом возбужденном колебательной состоянии и экспериментальное наблюдение порогов.образования ряда возбужденных состояний продуктов реакции в энергетической зависимости ее интегрального СеЧеНИЯ;
механизм реакции Ar*+ CD , согласно которону на достаточно большие расстояниях происходит перенос электрона с последующей диссоциацией, в результате чего канал переноса атома D (с оСразованиен ArD*) составляет лишь 0,85)1,. я ого экспериментальное подтверждение;
структурированные энергетические зависимости интегральных сечении реакций А* + X > АХЧ Х(А = Аг, II і X = 11, D) в диапазоне
0,02-1 эВ н интерпретация этих структур как последовательное открытие, по кере возрастании анергии, новых каналов реакций через возбужденные состояния промежуточных нерозарядочмых комплексов (A-x'j;
- значения пороговых энергий (эндотермичности) для реакций N*+
+ Х2 » NX*(X2Z, a2Z) + Х(Х - И, D). поведение сечений реакции от
порога до 1 эВ и возможное влияние внутренней (вращательной и спин-орбитальной) энергии в преодолении порога реакции.
Апробация работы и публикации
Результаты диссертационной работы докладывались на X Всесоюзной конференции по физике электронных и атомных столкновений (Ужгород, 1988); XX Международной конференции по явлениям в ионизированных газах (Пиза, Италия, 1991); YIII Всесоюзной конференции по физике низкотемпературной плазмы (Минск, 1991); Симпозиуме по атомной и поверхностной физике ІТренто, Италия, 1992); XIV Международном симпозиуме по молекулярным пучкам (Асиломар. США, 1992); XXYIII Фараде-евском симпозиуме по химии в межзвездной среде (Бирмингем. Великобритания, 1992) и др.
Результаты диссертационной работы были опубликованы в 26 печатных работах; 10 (из них 5 международных) статьях и 16 (11 международных) сообщениях на конференциях и симпозиумах.
Структура к объем диссертации
Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения и построена по следующему принципу: в первой главе обсуждаются различные типы процессов с участием заряженных частиц, дается их классификация и анализ. Глава 2 представляет собой обзор методов исследования ИМР с их сравнительным анализом. Главы 3, 4, S посвяшены исследованию распадающийся плазмы в потоке и содержат, соответственно, описание экспериментальной установки, решение общего кинетического уравнения для распадающейся плазмы и анализ полученных результатов В главе 6 представлены результаты по исследованию ИМГ в скрещенных пучках.
I,
Работа содержит 205 страниц ( из них 66 стр. рисунков и 14 стр. библиографии). 74 рисунка и 5 таблиц. Список цитируемой литературы составляет 1DO наименований.
