Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Реакция перезарядки состоит в переносе заряда с одной частицы (атома, иона или молекулы) на другую в процессе их столкновения. Перезарядка играет важную роль в явлениях астрофизики, физики плазмы, химии. Реакции перезарядки характеризуются большими эффективными сечениями, поэтому в их описании основную роль играют большие, по сравнению с характерным размером частиц а, межатомные расстояния R. Динамика реакций перезарядки определяется потенциалом обменного взаимодействия сталкивающихся частиц, который фактически представляет собой интеграл перекрытия волновых функций электрона, локализованного на разных частицах. АЪ initio расчеты потенциала обменного взаимодействия в области больших межатомных расстояний, важных для перезарядки, сопряжены со значительными вычислительными трудностями, поскольку соответствующий интеграл перекрытия оказывается экспоненциально малым.
С другой стороны, определяющая роль больших межатомных расстояний позволяет ввести в задаче перезарядки параметр малости a/R «; 1, по которому можно строить асимптотические разложения. Такой метод вычисления одноэлектронного потенциала обменного взаимодействия был развит в работах Фирсова [1], Ландау [2] и Херринга (Herring) [3]. В течение последних десятилетий метод Фирсова—Ландау—Херринга нашел широкое приложение в описании одно- и двух- электронных обменных взаимодействий в ион-атомных и атом-атомных системах [4]. Однако применение аналитических методов для расчета перезарядки полярных молекул разработано в гораздо меньшей степени. Между тем, такие реакции представляют значительный интерес.
Во-первых, в них можно ожидать проявления ориентационных эффектов, связанных с угловой зависимостью дипольного потенциала, в котором движется внешний электрон молекулы. Такие эффекты отсутствуют в атомных
реакциях перезарядки в связи со сферической симметрией атомного потенциала.
Во-вторых, в процессе перезарядки с участием нейтральных полярных молекул с достаточно большими дипольными моментами возможно образование так называемых дипольно-связанных анионов (ДСА) [5, 6]. В ДСА внешний электрон связан только дальнодействующим дипольным потенциалом нейтральной молекулы, и средний размер области локализации его волновой функции гораздо больше, чем размер обычной молекулярной орбитали. Энергия связи внешнего электрона ДСА составляет порядка 0.1 - 10 мэВ, средний размер области локализации электронной волновой функции — несколько
десятков А. "Макроскопические" размеры и высокая реакционная способность сделали ДСА объектами интенсивного теоретического и экспериментального изучения в последнее время.
Таким образом, разработка аналитических методов описания реакций перезарядки с участием полярных молекул представляется важной с точки зрения современных задач атомно-молекулярной физики.
Цель работы состоит в обобщении аналитических методов, разработанных для расчета перезарядки атомов и ионов, на реакции с участием полярных молекул и применении этих методов к вычислению потенциалов обменного взаимодействия полярных молекул, изучению ориентационной зависимости сечений перезарядки в столкновениях с участием полярных молекул, вычислению сечения образования дипольно-связанных анионов в реакции перезарядки полярных молекул на ридберговских атомах.
Достижение поставленной цели предполагало решение следующих задач:
1. Обобщение асимптотического метода Фирсова—Ландау—Херринга на вычисление потенциала обменного взаимодействия полярных молекул с собственными ионами и дипольно-связанными анионами.
Применение этого метода к расчету сечения перезарядки полярной молекулы на собственным катионе и дипольно-связанном анионе с учетом вращательных состояний молекулярных остовов.
Обобщение квазинепрерывной модели, ранее предложенной для описания образования отрицательных ионов при столкновении нейтральных атомов с высоковозбужденными атомами, на случай перезарядки полярных молекул на ридберговских атомах с образованием дипольно-связан-ных анионов.
Использование этой модели для расчета сечения электронного захвата при столкновении полярной молекулы с ридберговским атомом.
Научная новизна и значимость работы. В настоящей работе впервые были получены следующие результаты:
В асимптотической области больших межмолекулярных расстояний было получено аналитическое выражение для потенциала одноэлектрон-ного обменного взаимодействия полярной молекулы с собственным катионом и дипольно-связанным анионом с учетом зависимости от углов, образуемых молекулярными остовами с межмолекулярной осью.
Произведен расчет сечения перезарядки полярной молекулы на собственным катионе и дипольно-связанном анионе с учетом вращательных состояний молекулярных остовов. Проанализирована зависимость сечения от вращательных чисел остовов.
Введено понятие геометрического дефекта резонанса, вызывающего переход резонансной перезарядки полярной молекулы на собственным катионе в квазирезонансную.
В квазинепрерывной модели получено аналитическое выражение для сечения электронного захвата при столкновении полярной молекулы с ридберговским атомом.
Получено выражение для зависимости главного квантового числа электрона в ридберговском атоме, при котором достигается максимум сечения захвата ридберговского электрона полярной молекулой, от энергии связи образующегося дипольно-связанного аниона.
Тема диссертации входит в тематический план научно-исследовательских работ Воронежского государственного университета № гос. per. 01201155974, а также в тематику аналитической ведомственной целевой программы "Развитие научного потенциала высшей школы", мероприятие 1.
Практическая значимость работы. Полученные в работе аналитические выражения для описания перезарядки нейтральных полярных молекул на рид-берговских атомах могут быть использованы для измерения энергий связи дипольно-связанных анионов и других слабосвязанных отрицательных ионов в диапазоне энергий -0.1-10 мэВ, где плохо работают другие методы (например, отрыв электрона постоянным электрическим полем, фотоотрыв и т.д.). Кроме того, результаты диссертации могут быть использованы для повышения эффективности получения в лабораторных условиях дипольно-связанных анионов, интенсивное изучение которых ведется в последнее время.
Основные положения, выносимые на защиту:
Аналитическое выражение для потенциала одноэлектронного обменного взаимодействия полярной молекулы с собственным катионом и ди-польно-связанным анионом с учетом взаимной ориентации молекулярных остовов.
Расчет сечения перезарядки полярной молекулы на собственным катионе
и дипольно-связанном анионе с учетом вращательных состояний молекулярных остовов.
Геометрический дефект резонанса, приводящий к переходу резонансной перезарядки полярной молекулы на собственным катионе в квазирезонансную.
Квазинепрерывная модель для электронного захвата при столкновении нейтральной полярной молекулы с ридберговским атомом. Аналитическое выражение для сечения захвата, резонансный характер зависимости сечения от главного квантового числа ридберговского атома.
Зависимость главного квантового числа электрона в ридберговском атоме, при котором достигается максимум сечения захвата ридберговского электрона полярной молекулой, от энергии связи образующегося ди-польно-связанного аниона.
Апробация работы Основные результаты диссертации докладывались на следующих конференциях:
26f/z International Conference on Photonic, Electronic, and Atomic Collisions-XXVI ICPEAC (Каламазу США, 2009 г.);
22"rf International Colloquium on High-Resolution Molecular Spectroscopy (Ди-жон, Франция, 2011 г.).
Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 4 печатных работах, из них 3 статьи в рецензируемых журналах из перечня ВАК.
Личный вклад автора. Содержание диссертации и основные положения, выносимые на защиту, отражают персональный вклад автора в опубликованные работы. Обсуждение и подготовка к публикации полученных результатов проводилась совместно с научным руководителем, причем вклад диссертанта был определяющим. Все представленные в диссертации результаты получены
лично автором.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из Введения, 4 глав, Заключения и библиографии. Общий объем диссертации 87 страниц. Диссертация содержит 11 рисунков, 1 таблицу и список литературы из 94 наименований.
