ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА, 2007, том 26, № 9, с. 13-18
ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
УДК 539.186
ДИССОЦИАТИВНОЕ ВОЗБУЖДЕНИЕ СИНГЛЕТНЫХ И СЕПТЕТНЫХ УРОВНЕЙ АТОМА ЖЕЛЕЗА ПРИ СТОЛКНОВЕНИЯХ
ЭЛЕКТРОНОВ С МОЛЕКУЛАМИ FeCl2
© 2007 г. Ю. М. Смирнов
Московский энергетический институт E-mail: SmirnovYM@mpei.ru Поступила в редакцию 01.11.2006
Методом протяженных пересекающихся электронного и молекулярного пучков изучено диссоциативное возбуждение синглетных и септетных уровней атома железа в столкновениях e-FeCl2. Измерены 47 сечений диссоциативного возбуждения при энергии налетающих электронов 100 эВ. Обсуждается соотношение сечений для диссоциативного (e-FeCl2) и прямого (e-Fe) возбуждения.
ВВЕДЕНИЕ
Изучение неупругих электрон-молекулярных столкновений представляет несомненный интерес для фундаментальной науки, поскольку оно дает новые сведения о строении вещества и о влиянии химической связи между атомами в молекуле на характеристики таких процессов, как возбуждение, ионизация и др. С другой стороны, информация об электрон-молекулярных столкновениях, сопровождающихся возникновением оптического излучения, представляет значительный интерес для ряда задач современной астрофизики (прежде всего, физики туманностей), так как сравнительно недавно было установлено, что молекулы в космическом пространстве гораздо более многочисленны и многообразны, чем считалось ранее. Наконец, постоянно возрастает роль молекул в таких устройствах, как газовые лазеры, источники высокоинтенсивного излучения, плазмохими-ческие реакторы и т.д.
Успешное развитие всех этих направлений науки и техники, несомненно, связано с более глубоким пониманием физико-химических процессов, происходящих в многокомпонентной низкотемпературной плазме. Между тем имеет место значительный дефицит справочной информации о количественных характеристиках неупругих электрон-молекулярных столкновений. В частности, это в полной мере относится к такому процессу, как диссоциативное возбуждение. Имеющиеся экспериментальные данные о характеристиках диссоциативного возбуждения пока весьма малочисленны, а теоретические почти полностью отсутствуют.
К числу объектов, для которых исследования электрон-молекулярных столкновений только начинаются, могут быть отнесены молекулы галоге-нидов металлов группы железа. Первые работы о диссоциативном возбуждении атома никеля при
столкновениях медленных электронов с молекулами NiCl2 были опубликованы лишь в 2001 г. [1, 2]. Единственная работа, посвященная изучению диссоциативного возбуждения атома железа, появилась совсем недавно [3]. В ней исследовано диссоциативное возбуждение нечетных триплет-ных уровней FeI при столкновениях e-FeCl2.
Поскольку основным уровнем атома железа является квинтетный уровень a5D4, триплетные уровни, диссоциативное возбуждение которых исследовано в [3], не связаны с ним оптически разрешенными переходами. Однако в случае атома железа это может быть отнесено не только к триплетным состояниям, но также к синглетным и септетным. В настоящей работе излагаются результаты исследования диссоциативного возбуждения уровней FeI этих двух мультиплетностей, происходящего при столкновениях e-FeCl2. Использован метод протяженных пересекающихся пучков, об особенностях которого ранее сообщалось неоднократно [4, 5]. Основные условия проведения эксперимента с молекулами FeCl2 изложены в работе [3].
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
В спектральном диапазоне 240-800 нм зарегистрирован эмиссионный оптический спектр, возникающий в результате соударений медленных моноэнергетичных электронов с молекулами FeCl2. Энергия электронов составляла 100 эВ при ширине распределения электронов по энергиям 0.9 эВ (для 90% электронов пучка). Обсуждаемые спектральные линии, возникающие в результате диссоциативного возбуждения синглетных и септетных уровней атома железа, расположены на участке спектра 342-524 нм. Измеренные абсолютные значения сечений не превосходят 10-18 см2, вследствие чего надежная регистрация оптиче-
Таблица 1. Сечения диссоциативного возбуждения атома железа (синглеты)
X, нм Переход Jlow Jup Elow, см 1 E^ см 1 ßm(100), 10-19 см2 öa(50), 10-19 см2 Qa/Qm
342.501 alG-xlF° 4-3 24514 53163 2.01 1.8 3.88
345.991 c3P-z1P° 2-1 24335 53229 1.90 2.0 1.05
355.314 a1H-v1G° 5-4 28819 56951 2.63 2.3 0.88
368.224 a1D-w1D° 2-2 28604 55154 2.91 - -
383.926 a1G-x1G° 4-4 24514 50613 1.46 1.4 0.96
384.326 a1G-z1F° 4-3 24514 50586 2.41 2.5 1.04
394.219 a3D-x1D° 1-2 26406 51 162 1.32 - -
398.986 a1D-y1F° 2-3 28604 53661 1.14 - -
401.453 a1H-y1H° 5-5 28819 53122 1.19 - -
411.854 a1H-z1I° 5-6 28819 53093 4.15 1.9 0.46
414.342 a1G-y1G° 4-4 24514 48102 3.00 2.6* 0.81
411.169 b1G-x1F° 4-3 29198 53163 0.51 - -
418.956 b1G-y1F° 4-3 29198 53661 0.94 - -
419.910 a1G-z1H° 4-5 24514 48382 2.14 - -
420.394 a1I-z1I° 6-6 29313 53093 1.48 - -
454.184 a1D-z1F° 2-3 28604 50586 0.51 0.6 1.18
Примечание. Звездочкой отмечена линия 414.342 нм, которая не могла быть аппаратурно разрешена от триплетного перехода а^з—у3 с длиной волны 414.387 нм.
ских функций возбуждения оказалась невозможной.
Полученные результаты, а также относящиеся к ним спектроскопические данные представлены в табл. 1 для синглетных и в табл. 2 для септетных уровней соответственно. Здесь указаны длина волны X, переход, значения внутреннего квантового числа нижнего J0ow и верхнего Jup уровней, энергии нижнего Elow и верхнего Eup уровней, значения сечений диссоциативного возбуждения при энергии электронов 100 эВ Qm (100). Спектроскопические характеристики приведены согласно весьма подробной работе [6], содержащей сведения о почти 27000 спектральных линий FeI. Звездочкой в табл. 1 отмечена линия 414.342 нм, которая не могла быть аппаратурно разрешена от триплетного перехода a3F3-y3F° с длиной волны 414.387 нм.
Все изученные переходы в синглетной системе термов происходят с нечетных уровней; лишь два из них являются интеркомбинационными (син-глет—»триплет), а все остальные происходят как вполне разрешенные правилами отбора для элек-тродипольного излучения. В то же время для септетов обнаружено возбуждение как нечетных, так и четных уровней. При этом четные уровни относятся к числу высоко расположенных и значительная часть переходов с них оканчивается на нечетных септетных уровнях, т.е. участвует в каскадном заселении последних.
На рисунке изображена диаграмма септетных состояний атома железа, имеющих энергию не выше 52000 см-1; для упрощения рисунка расщепление термов по J не показано. Указаны также нечетные квинтетные термы z5P° и z5D°, на которых оканчиваются переходы с уровней e1P, исследованные в данной работе. Кроме того, на диаграмме изображены все состояния FeI, расположенные ниже энергии 25000 см-1. Как видно, все эти состояния являются четными, причем лишь одно из них относится к синглетной системе термов, тогда как остальные являются триплетными либо квинтетными (со значительным преобладанием триплетов).
Септетных термов среди низколежащих четных состояний у атома железа вообще нет, вследствие чего состояния z1P°, z7D°, z7F° оказываются метастабильными. Экспериментальную или теоретическую информацию о радиационных временах жизни нечетных септетных уровней FeI обнаружить не удалось, однако в компиляции [1] приведены значения вероятностей переходов Aki с обсуждаемых нечетных септетных уровней на уровни основного терма a5D. С использованием
соотношения тк = 1/^ Aki, где тк - естественное
время жизни уровня к, а суммирование ведется по всем нижележащим уровням i, на основании данных [1] получены значения времен жизни для обсуждаемых септетных уровней. Для большинства
Таблица 2. Сечения диссоциативного возбуждения атома железа (септеты)
X, нм Переход ^ -ир Е^ см 1 ^ см 1 ет(100), 10-19 см2 6а(50), 10-19 см2
420.670 05В-21Р° 3-3 415 24180 7.00* 60.5 8.65
421.619 05В-21Р° 4-4 0 23711 10.6* 183. 17.2
425.832 05В-21Р° 2-3 104 24180 2.30* 21.8 9.48
437.593 a5D-z1F° 4-5 0 22845 9.67* 248. 25.4
442.731 a5D-z1F° 3-4 415 22996 8.28* 161. 19.5
443.515 a5D-z1F° 2-1 104 23244 1.07* 16.8 15.7
446.165 a5D-z1F° 2-3 104 23110 6.38* 123. 19.3
448.217 a5D-z1F° 1-2 888 23192 4.42* 95.0 21.5
448.973 a5D-z1F° 0-1 918 23244 2.41* 45.4 18.8
353.656 z1F0-e1G 2-3 23192 51 460 1.06 1.9 1.79
354.108 z1F0-e1G 4-5 22996 51 228 2.69 4.9 1.86
354.207 z1F0-e1G 3-4 23110 51 334
369.401 z1P0-e1S 2-3 24506 51 510 2.52 2.0 0.79
406.798 z5D0-e1P 4-4 25899 50415 1.07 2.2 2.06
408.530 z5D0-e1P 3-3 26140 50611 0.98 1.6 1.63
419.143 z1D0-e1D 2-1 19912 43763 1.51 1.6 1.06
419.830 z1D0-e1D 5-4 19350 43163 1.64 - -
421.034 z1D0-e1D 1-1 20019 43763 0.84 1.0 1.19
422.221 z1D0-e1D 3-3 19151 43434 0.67 0.6 0.90
423.360 z1D0-e1D 1-2 20019 43633 1.48 0.9 0.61
423.594 z1D0-e1D 4-4 19562 43163 2.69 1.9 0.71
425.012 z1D0-e1D 2-3 19912 43434 1.79 2.2 1.23
426.047 z1D0-e1D 5-5 19350 42815 3.98 4.2 1.05
467.327 г5Р°-е7Р 2-2 29469 50861 0.61 - -
487.132 z1F0-e1D 3-2 23110 43633 1.76 1.9 1.08
487.821 z1F0-e1D 0-1 23270 43763 0.56 0.52 0.93
489.076 z1F0-e1D 2-2 23192 43633 2.86 1.1 1.50
489.149 z1F0-e1D 4-3 22996 43434 3.2
492.050 z1F0-e1D 5-4 22845 43163 2.88 4.3 1.49
513.946 z1P0-e1D 4-4 23711 43163 0.97 1.1 1.13
523.294 z1P0-e1D 4-5 23711 42815 1.85 2.1 1.13
Примечание. Звездочкой отмечены значения сечений возбуждения с учетом поправочного множителя и.
уровней г1Р° и г1 полученные значения тк находятся в диапазоне 30-90 мкс; исключения имеют место для уровней г7 Р° (тк = 1.14 мс) и г7 (тк = 2.32 мс). Для оценки тк уровня г7нет никакой информации. Существенно большими, чем у г7 Р° и г7 , оказываются времена жизни г7^°-уровней; они имеют значения в диапазоне 200-700 мкс.
Все значения времен жизни для уровней г7 Р° и г7 (кроме указанных исключений) в несколько
раз, а для уровней г10° в несколько десятков раз превосходят время пролета атомов железа или молекул FeCl2 сквозь пространство столкновений в нашей экспериментальной установке. Поэтому значительная часть атомов железа, возбужденных в обсуждаемые нечетные септетные состояния, теряет энергию возбуждения не в результате спонтанных
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.