ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА, 2010, том 29, № 6, с. 3-7
ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
УДК 539.186
ДИССОЦИАТИВНОЕ ВОЗБУЖДЕНИЕ НЕЧЕТНЫХ КВИНТЕТНЫХ УРОВНЕЙ АТОМА ЖЕЛЕЗА ПРИ СТОЛКНОВЕНИЯХ ЭЛЕКТРОНОВ С МОЛЕКУЛАМИ ДИХЛОРИДА ЖЕЛЕЗА © 2010 г. Ю. М. Смирнов
Московский энергетический институт E-mail: SmirnovYM@mpei.ru Поступила в редакцию 25.05.2009
Диссоциативное возбуждение нечетных квинтетных уровней атома железа при столкновениях медленных электронов с молекулами дихлорида железа исследовано методом протяженных пересекающихся пучков. При энергии возбуждающих электронов 100 эВ измерены 55 сечений диссоциативного возбуждения. Зарегистрированы 5 оптических функций возбуждения в диапазоне энергий электронов 0—100 эВ. Обсуждены некоторые тенденции в поведении сечений диссоциативного возбуждения.
ВВЕДЕНИЕ
Диссоциативное возбуждение — один из основных элементарных процессов в низкотемпературной многокомпонентной плазме, влияющих на формирование ее характеристик. Однако экспериментальное изучение этого процесса началось сравнительно недавно, а теоретические исследования фактически полностью отсутствуют. Вместе с тем уже созданы многочисленные лазеры на соединениях металлов, разработка которых базировалась на оценках и эмпирическом подходе. При этом база справочных данных о характеристиках электрон-молекулярных столкновений по-прежнему остается весьма ограниченной. В частности, это относится к таким соединениям, как галогениды металлов группы железа.
Тем не менее в последние годы опубликованы результаты исследований диссоциативного возбуждения нечетных триплетных [1], а также син-глетных и септетных [2] уровней атома железа при столкновениях медленных электронов с молекулами дихлорида железа. Мультиплетность всех этих состояний отличается от мультиплетности основного уровня атома железа, каковым является квинтетный уровень ЗАЧ«2 а5Б4. При электрон-атомных столкновениях возбуждение с изменением мультиплетности, как правило, происходит значительно менее эффективно, чем возбуждение без изменения мультиплетности. Несомненно, наличие химической связи у атома железа в молекуле БеС12 может существенно изменить эту картину.
Такое предположение в значительной мере подтверждается результатами настоящей работы, в которой изучено диссоциативное возбуждение нечетных квинтетных уровней атома железа. Экс-
перимент выполнен методом протяженных пересекающихся пучков с регистрацией оптического сигнала из области их пересечения. Условия проведения экспериментов с молекулами БеС12 изложены в работе [1].
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Основные спектрограммы зарегистрированы при энергии возбуждающих электронов 100 эВ. Изучен спектральный диапазон 240—800 нм, в пределах которого наряду со спектральными линиями атома железа могут находиться спектральные полосы монохлорида БеС1 и молекулы С12. Как указано в исследовании [1], в условиях эксперимента с БеС12 ни одна молекулярная полоса не обнаружена. То же относится и к спектральным линиям атома хлора, наиболее яркие из которых расположены в ВУФ- и ИК-областях спектра, т.е. за пределами рабочего спектрального диапазона нашей аппаратуры. На спектрограммах обнаружено около 230 спектральных линий, отнесенных к атому железа; ни одна линия не отнесена к однозарядному иону железа, хотя энергии электронов 100 эВ вполне достаточно для диссоциативного возбуждения с одновременной однократной ионизацией.
Полученные результаты представлены в табл. 1, 2. В табл. 1 охарактеризованы линии, для которых зарегистрированы оптические функции возбуждения (ОФВ) при изменении энергии электронов от 0 до 100 эВ. Здесь приведены длина волны (^), переход (без указания конфигураций), внутренние квантовые числа нижнего (/,ом,) и верхнего (/ир) уровней, энергии нижнего (Е!т)) и верхнего (Еир) уровней, значения сечений диссо-
Таблица 1. Сечения диссоциативного возбуждения атома железа
X, нм Переход ¿1ом> ¿ыр Elow, см-1 см-1 бт(Ю0), 10-19 см2 О-тах, 10-19 см2 Е(йтах), эВ ОЕБ ба(50), 10-19 см2 йа/йт йа/йт (среднее)
385.991 а5Б-г5Б° 4- 4 0 25899 6.83 7.58 68 1 151 22.1 20.2
392.291 а5Б-15Б° 3- 4 415 25899 0.96 1.06 68 1 19.7 20.5
526.954 а5/—5Б° 5- 4 6928 25899 1.08 1.20 68 1 19.6 18.1
371.994 а5Б-15!° 4- 5 0 26874 13.6 16.4 40 3 256 18.8 18.8
367.992 а5Б-15!° 4- 4 0 27166 1.05 1.45 41 2 16.9 16.1 16.3
373.713 а5Б-15!° 3- 4 415 27166 8.56 12.4 41 2 141 16.5
293.690 а5Б-у5Г° 4- 4 0 34039 1.18 1.26 75 5 15.4 13.0 12.9
374.948 а5Г-у5Г° 4- 4 7376 34039 5.49 5.85 75 5 78.5 14.3
379.955 а5Г-у5Г° 3- 4 7728 34039 0.68 0.73 75 5 7.8 11.5
370.925 а5Г-у5Г° 4- 3 7376 34328 0.84 0.93 75 4 10.3 12.2 12.7
375.824 а5Г-у5Г° 3- 3 7728 34328 2.58 2.86 75 4 38.3 14.8
379.500 а5Г-у5Г° 2- 3 7985 34328 0.67 0.74 75 4 7.5 11.2
циативного возбуждения при энергии возбуждающих электронов 100 эВ (йт(100)), а также в максимуме ОФВ (йтах), положение максимума ОФВ (Е(йтах)). Переходы сгруппированы по признаку общего верхнего уровня и расположены в порядке возрастания орбитального квантового числа Ь и убывания /. Спектрально неразрешенные линии приведены в конце табл. 2. В столбце ОЕБ указаны номера ОФВ, соответствующие их нумерации на рисунке. Кроме того, для сравнения сечений диссоциативного и прямого возбуждения приведены значения сечений прямого (в электрон-атомных столкновениях) возбуждения при энергии электронов 50 эВ (йа(50)), отношения сечений (йа/йт) и средние значения этих отношений для переходов с общим верхним уровнем.
Возможные каналы образования возбужденных атомов железа при столкновениях е-РеС12 в области малых энергий электронов (Е < 30 эВ) обсуждены в работе [1] на примере спектральной линии 404.581 нм, поскольку только для этой линии в [1] была зарегистрирована ОФВ и, соответственно, определена энергия появления (Еар). В работе [2] ни одной ОФВ зарегистрировать не удалось.
Отнюдь не очевидно, что диссоциативное возбуждение различных уровней атома (в том числе уровней разной мультиплетности) обеспечивается одними и теми же каналами возбуждения. Теоретического обсуждения этого вопроса автору обнаружить не удалось. Имеющийся экспериментальный материал (пока весьма ограниченный) к настоящему времени не систематизирован. Поэтому получение экспериментальной информации о соотношении вкладов разных каналов в сечения диссоциативного возбуждения различных уровней представляет интерес как основа для
дальнейшего анализа, а также для проверки теоретических результатов (по мере их появления).
В области низких энергий электронов, где число конкурирующих каналов не слишком велико, могут реализоваться следующие каналы образования возбужденного атома железа:
БеС12 + е — Бе* + С12 + е' (9.04), (1)
— Бе* + С1* + е' (—11.5), (2)
— Бе* + 2С1 + е' (11.54), (3)
— Бе* + С1 + + е' + е'' (20.52), (4)
— Бе* + С1 + С1* + е' (—20.7), (5)
— Бе* + С1+С1++е' + е'' (24.51).(6)
Здесь е и е' — налетающий и рассеянный электроны соответственно; е'' — электрон, выбитый из атома или молекулы хлора при их ионизации; звездочками обозначены частицы, находящиеся в возбужденных состояниях; числа в скобках — значения энергии появления Еар в электрон-вольтах, рассчитанные без учета энергии теплового движения тяжелых частиц. Они отличаются от соответствующих значений, приведенных в [1], поскольку в излагаемой работе они рассчитаны для наиболее интенсивной из зарегистрированных линий X = 371.994 нм (подробности расчета Еар см. в статье [1]).
Измеренное значение энергии появления составляет Еар = 11.5 ± 0.5 эВ. Как и в работе [1], оно указывает на две реакции, возможные при наиболее низких энергиях возбуждающих электронов: процессы (2) и (3). Есть основания считать вклад реакции (3) преобладающим, однако для подтверждения этого предположения необходимо проведение масс-спектрометрического исследо-
Таблица 2. Сечения диссоциативного возбуждения атома железа
X, нм Переход ^ир см 1 Eup, см 1 бт(100), 10-19 см2 ба(50), 10-19 см2 Оа/Ош Оа/Ош среднее
428.240 а5Р 3-2 17550 40894 2.02 3.4 1.68 1.65
431.508 2-2 17726 40894 1.51 2.4 1.59
435.273 1-2 17927 40894 0.73 1.3 1.67
344.061 344.099 а5Б-15Р° а5Б-г5Р° 4-3 3-2 0 415 29056 29469 3.24 198 61.2 61.2
382.445 а51>-г51>° 4-3 0 26140 ' 2.55 32.0 12.5 12.6
388.628 а51>-г51>° 3-3 415 26140 4.23 57.0 13.5
393.030 а5Б-15В° 2-3 704 26140 1.73 22.0 12.7
532.804 4-3 7376 26140 1.06 12.2 11.5
385.637 а51>-г51>° 3-2 415 26339 2.74 27.8 10.1 10.0
389.971 а51>-г51>° 2-2 704 26339 1.71 16.6 9.72
392.792 а51>-г51>° 1-2 888 26339 1.65 16.4 9.95
537.149 3-2 7728 26339 0.67 6.9 10.3
392.026 а51>-г51>° 0-1 978 26479 1.79 9.2 5.15 5.24
540.577 2-1 7985 26479 0.79 4.2 5.32
389.566 а51>-г51>° 1-0 888 26550 2.36 7.4 3.14 3.31
543.453 1-0 8154 26550 0.46 1.6 3.48
382.043 а5Г-у5Б° 5-4 6928 33095 1.57 230 146 146
382.588 а5Г-у5Б° 4-3 7376 33507 1.45 152 105 105
299.443 а5В-у5Б° 3-2 415 33801 1.23 44.7 36.4 36.4
303.739 а5В-у5Б° 1-2 888 33801 0.95 34.3 36.1
383.422 а5Г-у5Б° 3-2 7728 33801 1.34 50.3 37.5
387.250 а5Г-у5Б° 2-2 7985 33801 0.34 12.1 35.6
384.044 а5Г-у5Б° 2-1 7985 34017 1.12 21.0 18.7 18.7
370.557 а5Б-15Р° 3-3 415 27394 1.52 23.8 15.6 15.6
372.256 а5Б-15Р° 2-2 704 27559 1.73 23.8 13.7 12.5
374.826 а5Б-15Р° 1-2 888 27559 3.25 37.2 11.4
373.332 а5Б-15Р° 1-1 888 27666 1.90 11.2 5.90 5.90
373.487 а5Г-у5Г° 5-5 6928 33695 6.03 117 19.4 19.4
372.762 а5Г-у5Г° 3-2 7728 34547 0.98 12.5 12.7 11.5
376.379 а5Г-у5Г° 2-2 7985 34547 2.08 21.0 10.1
378.788 а5Г-у5Г° 1-2 8154 34547 0.62 7.2 11.6
374.336 а5Г-у5Г° 2-1 7985 34692 0.67 5.2 7.77 7.62
376.719 а5Г-у5Г° 1-1 8154 34692 1.62 12.1 7.47
358.120 а5¥-г50° 5-6 6928 34843 8.07 14.8 1.83 1.83
364.784 а5¥-г50° 4-5 7376 34782 4.09 8.9 2.18 2.24
438.354 4-5 11976 34782 2.83 6.5 2.30
363.147 а5¥-г50° 3-4 7728 35257 4.48 6.7 1.49 1.53
440.475 3-4 12560 35257 2.41 3.8 1.57
361.877 а5¥-г50° 2-3 7985 35611 5.48 6.7 1.22 1.22
302.049 а5В-у5Б° 2-2 704 33801 1 24* ]
302.064 а5В-у5Б° 4-4 0 33095 1 3.31 351 106 43* 1
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.