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=1qeV 1qeV) 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 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 Ar q+ (q=3-6) iyonları ile He ve Ne atomlarının çarpışmasındaki tek elektron yakalanması öteleme enerjisi tekniği kullanılarak incelenmiştir. Deney Düzeneği 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 (5 MeV enerjili F 4+ ) düşük enerjili iyon kaynağında (şekildeki çarpışma bölgesi) farklı yüklü iyonlar oluşturmak üzere düşük yoğunluklu gazla (bu durumda Ar ile) çarpışır ve Faraday kabında toplanır. Oluşan değişik yüklerdeki iyonlar L 1, L 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 mm 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. 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
Çift Odaklı Küresel Spektrometre Karbon Foil Gaz Jet Girişi İtici 5 MeV F 4+ İyon Demeti 4 lü Ayarlanabilir Aralık Einsel Odaklayıcı Çarpışma Bölgesi Hedef Gaz Girişi Çift Odaklı Elektromıknatıs Faraday Kabı Yönlendirme Plakaları Çarpışma Hücresi 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 [] alınmıştır. Şekil de 1 ev Ar 4+ iyonunun Ne atomuyla çarpışması sonucunda oluşan Ar 3+ iyonlarının öteleme enerjisi kazanımı farklı açılarda görülmektedir. o saçılma açısında görüldüğü gibi, elektron temel Ar 4+ (3p 3 P) seviyeden Ar 3+ iyonunun 3d D ve 4 P uyarılmış seviyelerine geçmiştir. Ayrıca 14.5 ev civarındaki ikinci geniş tepe ise Ar 3+ iyonunun 3d 4 D ve 4 F seviyelerinde de yakalanmanın olduğunu ortaya çıkartmaktadır. Q=9 ev civarında görülen tepecik ise Ar 3+ iyonunun 3d F, 3p ( 1 D)3d D ve 4s 4 P enerji seviyelerinde geçişinin diğer seviyelere göre daha az miktarda olarak gerçekleştiğinin işaretidir. Saçılma açısı arttıkca 3p ( 3 P)3d 4 D ve 4 F seviyeleriyle F seviyesinde yakalanma bağıl olarak artmaktadır. Ayrıca saçılma açısı o den 5.3 o ye ulaşıldığında ev luk enerji azalması gözlenmektedir. Bu enerjideki kayma klasik mekanikdeki esnek olmayan çarpışmayla açıklanmaktadır. [3] Şekil 3 de ise Ar 4+ iyonlarının Ne ile farklı enerjilerde çarpışması sonucunda oluşan Ar 3+ iyonlarının o 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
bulunabilmektedir. Daha önce yapılan benzeri çalışmadaki toplam etkin kesit değeri kullanılarak bağıl etkin kesitler mutlak değere çevrilmiştir. Şekil 4 de Ar q+ (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 Ar 6+ -He için düşük enerjilerde yüksek çıkmakta. Ayrıca şekilde Müller-Salzborn [8], Landau-Zener, klasik barier, yutan küre [9] teorik modelleri ile karşılaştırılmaktadır. Görüldüğü gibi yutan küre modeli 3 kat civarında daha büyük değer kestirimde bulunurken, klasik barier modeli daha düşük değer öngörmektedir. Şekil 5 de ise Ar q+ 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. 5 4 3 3p ( 3 P)3d 3p ( 1 D)3d 4s 4 P 3p 4 F D 4 P 4 D 4 F P D G F S P D Ar 4+ - Ne E = 1 ev = o 1 İYON SAYISI 4 3 1 4 3 = o = 3.9 o 1 3 = 5.3 o 1 5 1 15 5 Q (ev) Şekil. 1 ev çarpışma enerjili Ar 4+ iyonlarının Ne atomlarıyla çarpışmasıyla elde edilen farklı açılardaki öteleme enerjisi spektroskopisi.
75 6 45 3 15 4 3 3p ( 3 P)3d 3p ( 1 D)3d 4s 4 P 3p 4 S P D F D 4 P 4 D 4 F P D G F Ar 4+ - Ne θ = o E = 6 ev E = 1 ev İYON SAYISI 1 3 E = ev 1 1 8 6 4 E = 3 ev 5 1 15 5 Q (ev) Şekil 3. Farklı çarpışma enerjilerindeki Ar 4+ iyonlarının Ne atomlarıyla çarpışmalarının o saçılma açısındaki öteleme enerjisi spektroskopisi.
5 4 Ar 4+ - He 3 1 Etkin Kesit (1-16 cm ) 5 4 3 1 Ar 5+ - He 7 6 5 4 3 1 Ar 6+ - He 1 3 4 5 6 7 8 9 1 Çarpışma Enerjisi (ev) Şekil 4. Ar q+ (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 [1], 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.
18 15 1 Ar 4+ - Ne E = ev 9 6 3 dσ/dω (keyfi br.) 18 15 1 9 6 3 Ar 5+ - Ne E = 15 ev 5 Ar 6+ - Ne E = 6 ev 15 1 5 1 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 (198) [] 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, 46 (193) [5] Zener, C. Prog. R. Soc. London A 137, 696 (193) [6] Niehaus, A. J.Physics B 19, 95 (1986) [7] Suzuki, K., Okuno, K. ve Kobayashi, N. Physica Scripta T 73, 17 (1997) [8] Müller, A. ve Salzborn, E. Phys Lett A 6, 391 (1977) [9] Olson, R.E. ve Salop, A., Phys. Rev. A 14, 579 (1976) [1] 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 9, 188 (1984)