Inelastic processes in atomic collisions involving ground state and laser-prepared atoms

Abstract

In dit proefschrift worden experimenten beschreven waarbij ionen of atomen met een bepaalde snelheid op een ensemble van doelwitatomen worden gericht. Wanneer twee deeltjes elkaar voldoende genaderd hebben, vindt er wissel- werking plaats waarbij allerlei processen kunnen optreden. Deze processen resulteren in specieke eindproducten. Kennis over de interactie tussen twee botsingspartners wordt verkregen door te bekijken welke eindproducten ontstaan, en in welke mate. Een belangrijke grootheid die van invloed is op mogelijke processen is de onderlinge snelheid van de twee kernen, oftewel de botsingssnelheid. Wanneer de botsingssnelheid voldoende klein is dan kunnen de verschillende reactiemechanismen zowel kwalitatief als kwanti- tatief vaak goed voorspeld worden door het systeem te beschouwen als een kort-stondig molecuul, opgebouwd uit de twee botsende deeltjes. De ver- schillende processen die kunnen optreden worden gekwaliceerd afhankelijk van de vorming van bepaalde eindproducten. Ruwweg de volgende indeling kan gemaakt worden: 1. de interne structuur van de eindproducten zijn identiek aan die van de beginproducten. We spreken dan van een elastische botsing. 2. e en van de deeltjes of beiden worden in een aangeslagen toestand ge- bracht (of ge¨oniseerd). Dit zijn processen waarbij de herschikte elek- tronen zich bij de oorspronkelijke kern bevinden. We spreken dan van excitatie of ionisatie. 3. e en of meerdere elektronen bevinden zich bij de andere kern na de botsing (eventueel in aangeslagen toestand). We spreken dan van elek- tronenoverdracht. In het eerste deel van deze dissertatie worden botsingsexperimenten tussen heliumionen en natriumatomen beschreven waarbij het proces van elek- tronenoverdracht wordt onderzocht. Bij dit mechanisme is het buitenste 117?Samenvatting natriumelektron betrokken. Deze kan relatief gemakkelijk `overspringen' naar het heliumion wanneer deze zich dicht in de buurt van het natrium- atoom bevindt. Het elektron kan hierbij een bepaalde (aangeslagen) toe- stand bezetten. Wij meten de bezetting van de heliumtoestanden die onder uitzending van XUV licht ( ? 58 nm) vervallen naar de heliumgrondtoe- stand. Door de lichtintensiteit te meten onderzoeken we de mate van elek- tronenoverdracht naar een selecte groep van singlet helium`eind'toestanden, namelijk He(1s2p), He(1s3s), He(1s3p) en He(1s3d). In een reactie- vergelijking ziet het mechanisme er als volgt uit: He + (1s) + ( Na(3s) Na(3p) e- -! He + Na + -! He(1s 2 ) +h(58 nm) + Na + Het experiment kent een extra dimensie door het feit dat het, in beginsel bol- symmetrische, natriumatoom een bepaalde ruimtelijk uitlijning kan worden meegegeven. Met behulp van laserlicht van een specieke frequentie en po- larisatie, wordt het buitenste natriumelektron in een aangeslagen p toestand gebracht. Het aanslaan naar deze toestand heeft als gevolg dat het valentie- elektron zich op grotere afstand van zijn kern bevindt dan voorheen. Daar- naast kan, afhankelijk van de gebruikte laserpolarisatie, het buitenste elek- tron zich nu rond de natriumkern bewegen volgens een bepaalde anisotrope verdeling, de bolsymmetrie is doorbroken. De eecten van de excitatie en ruimtelijk verdeling van dit natriumelektron op het proces van elektronen- overdracht zijn onderzocht voor botsingsenergie¨en vari¨erend van 0.5 keV tot 6.0 keV. De metingen laten zien dat het eect van laserexcitatie een bezettingstoe- name van de beschouwde singlet heliumtoestanden betekent, ongeacht de uitlijning van het natrium 3p elektron. Dit is simpelweg te begrijpen uit het feit dat het 3p natrium elektron minder sterk gebonden is en elektro- nenoverdracht makkelijker gaat. Daarnaast is de uitlijning van het aanges- lagen elektron van invloed op de elektronenoverdracht. De resultaten zijn vergeleken met berekeningen van S.E. Nielsen en T.H. Rod [13], die de elek- tronoverdracht beschrijven in een model waarbij het betrokken elektron zich beweegt in bepaalde eectieve potentiaalvelden. De goede overeenkomsten van onze metingen met de berekeningen rechtvaardigen de theoretische be- nadering van Nielsen en Rod. 118?Samenvatting In het tweede gedeelte van het proefschrift worden botsingen beschouwd tussen helium- en neonatomen. Hierbij wordt nu niet gekeken naar bots- ingsproducten die zich manifesteren door bepaald licht uit te zenden, maar een elektron emitteren met een bepaalde energie. Verschillende soorten `eind'producten kunnen elektronen uitzenden, waaronder de negatieve ion- toestanden. Het elektronenspectrum, gemeten voor dit botsingssysteem, vertoont twee pieken die het spectrum domineren bij 16.2 eV en 19.4 eV voor verschillende botsingsenergie¨en tussen de 0.35 keV en 6.0 keV. Deze piekstructuren wijzen op de vorming van de kort-levende, negatieve iontoe- standen Ne-(2p 5 3s 2 ) en He-(1s2s 2 ) ten gevolge van de overdracht van e en elektron: He 0 + Ne 0 -! He-(1s2s 2 ) +Ne + (2p 5 ) 3 10- 14 s -! He 0 (1s 2 ) +Ne + + e- (19.37 eV) He 0 + Ne 0 -! He + (1s) +Ne-(2p 5 3s 2 ) 2:5 10- 13 s -! He + (1s) +Ne 0 (2p 6 ) +e- (16.15 eV) De meetresultaten vertonen een fenomeen waarbij de bezettingen van de negatieve iontoestanden een oscillerend gedrag vertonen als functie van de botsingssnelheid. Dit duidt op interferentie tussen de twee bijna-ontaarde moleculaire toestanden [He- + Ne + ] en[He + + Ne-]. Het is echter zeer op- merkelijk dat deze oscillatie wordt waargenomen in een experiment als deze, waarin de uitgezonden elektronen worden gemeten ongeacht de afbuighoek van het heliumatoom. Dit impliceert een speciek aanslagmechanisme van de moleculaire negatieve iontoestanden. Nader beschouwing van het bots- ingssysteem laat zien dat het instantane molecuul twee overgangen moet ondergaan voordat de negatieve iontoestanden gevormd worden. Als gevolg hiervan is de snelheid waarmee het negatieve en positieve ion uit elkaar be- wegen nagenoeg onafhankelijk van de afbuighoek van het helium projectiel en is oscillatie mogelijk waarneembaar. De wisselwerking tussen de twee beschouwde moleculaire toestanden impliceert gecorreleerde overdracht van twee elektronen: He- + Ne + 2e- ! He + + Ne- Door het quasi-resonante systeem als resonant te beschouwen kan het fenomeen kwalitatief goed verklaard worden. 119?Samenvatting Inhet laatstedeelwordt de bevolkingvanauto¨oniserende natriumtoestanden bekeken in He +=0 + Na botsingen. In tegenstelling tot de voorgaande exper- imenten waarin elektronenoverdracht beschouwd werd, betreft het hier een excitatiemechanisme. De beschouwde `eind'producten, i.e. de auto¨oniserende natriumtoestanden, bestaan in het algemeen kort en gaan over naar een stabiele iontoestand onder uitzending van een elektron met een toestands- karakteristieke kinetische energie. Door de elektronenspectra te meten bij verschillende botsingsenergie¨en, wordt de bezetting van de auto¨oniserende toestanden onderzocht. Ook hier wordt het eect van laserexcitatie en laser- polarisatie van het natriumatoom op de vorming van deze toestanden, en de mate waarin, bekeken. De metingen laten zien dat zowel in He + -Na als in He 0 -Na botsingen de invloed van de ruimtelijk uitlijning van het buitenste natriumelektron op de elektronenspectra nihil is. Dit impliceert dat het betrokken 3p elektron hoofdzakelijk een passieve rol speelt in de vorming van auto¨oniserende toe- standen: het blijft hoofdzakelijk de 3p toestand bezetten als een `toeschouwer' zonder een overgang te maken naar een andere toestand. Dit wordt boven- dien bevestigd door het feit dat wanneer een fractie natriumatomen aange- slagen wordt naar de p toestand dit een even grote reductie betekent van onder meer de populatie van de auto¨oniserende toestand Na(2p 5 3s 2 ). De verwachte grote toename van Na(2p 5 3p 2 ) toestanden, in geval van Na(3p) doelwitten, is niet waargenomen. 120?121?122