Charge exchange processes from the collisions of alpha particles with water molecules
Collisions of multiply charged solar wind ions with cometary molecules lead to infrared and far ultraviolet photon emissions [1]. As it was shown in previous work by [2-4] the resulting spectra of the emission yields have astrophysical implications and can be used for testing such properties of the...
Збережено в:
| Дата: | 2008 |
|---|---|
| Автори: | , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | English |
| Опубліковано: |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
2008
|
| Назва видання: | Вопросы атомной науки и техники |
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/110780 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Charge exchange processes from the collisions of alpha particles with water molecules / M.V. Vavrukh, B.O. Seredyuk, R.W. McCullough // Вопросы атомной науки и техники. — 2008. — № 6. — С. 84-86. — Бібліогр.: 7 назв. — англ. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-110780 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1107802025-02-09T14:48:58Z Charge exchange processes from the collisions of alpha particles with water molecules Процеси перезарядки при зіткненнях альфа-частинок з молекулами води Процессы перезарядки при столкновениях альфа-частиц с молекулами воды Vavrukh, M.V. Seredyuk, B.O. McCullough, R.W. Basic plasma physics Collisions of multiply charged solar wind ions with cometary molecules lead to infrared and far ultraviolet photon emissions [1]. As it was shown in previous work by [2-4] the resulting spectra of the emission yields have astrophysical implications and can be used for testing such properties of the solar wind as velocity, density, and chemical composition. In present work experimental data for the state selective electron capture by He²⁺ ions from water molecules are presented. Three complimentary experimental techniques: Translational Energy Spectroscopy, Photon Emission Spectroscopy and Fragment Ion Spectroscopy were used for measuring state selective electron capture cross sections [5]. Experimental data are compared to the theoretical calculations. Theoretical calculations were carried out using basis approach which is proven to provide a good agreement with the experimental measurements. Зіткнення багаторазово іонізованих зарядів сонячного вітру з нейтральними частинками комет призводять до емісій в рентгенівській і ультрафіолетовій областях [1]. Як було показано раніше [2–4], результуючий спектр перезаряджених іонів може бути використаний для тестування таких властивостей сонячного вітру як швидкість, концентрація частинок та хімічний склад. У роботі представлено експериментальні дані для вибіркового захоплення електрона при зіткненнях альфа-частинок з молекулами води. Для вимірювань поперечних перерізів захоплення електрона було використано три незалежні та взаємодоповнюючі методики – трансляційно-енергетична спектроскопія, фотонно-емісійна спектроскопія та фрагментарно-іонна спектроскопія [5]. Експериментальні дані порівнюються з результатами теоретичних розрахунків. З цією метою нами запропоновано метод базисного підходу до опису таких зіткнень і показано, що теоретичні розрахунки виконані з використанням цього методу добре узгоджуються з експериментальними даними. Столкновения многократно заряженных ионов солнечного ветра с нейтральными частицами комет приводят к эмиссиям в рентгеновской и ультрафиолетовой областях [1]. Как было показано ранее [2–4], исходящий спектр перезаряженных ионов может быть использован для тестирования таких свойств солнечного ветра как скорость, концентрация и химический состав. Представлены экспериментальные данные для частичного захвата электрона при столкновениях альфа-частиц с молекулами воды. Для измерений сечений захвата электрона было использовано три независимые и взаимодополняющие методики – трансляционно-энергетической спектроскопии, фотонно-эмиссионной спектроскопии и фрагментарно-ионной спектроскопи [5]. Экспериментальные данные сравниваются с результатами теоретических расчетов. С этой целью нами предложен метод базисного подхода к описанию таких столкновений и показано, что используемый метод хорошо согласуется с экспериментальными данными. 2008 Article Charge exchange processes from the collisions of alpha particles with water molecules / M.V. Vavrukh, B.O. Seredyuk, R.W. McCullough // Вопросы атомной науки и техники. — 2008. — № 6. — С. 84-86. — Бібліогр.: 7 назв. — англ. 1562-6016 PACS: 31.10.+z, 34.70.+e https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/110780 en Вопросы атомной науки и техники application/pdf Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
English |
| topic |
Basic plasma physics Basic plasma physics |
| spellingShingle |
Basic plasma physics Basic plasma physics Vavrukh, M.V. Seredyuk, B.O. McCullough, R.W. Charge exchange processes from the collisions of alpha particles with water molecules Вопросы атомной науки и техники |
| description |
Collisions of multiply charged solar wind ions with cometary molecules lead to infrared and far ultraviolet photon emissions [1]. As it was shown in previous work by [2-4] the resulting spectra of the emission yields have astrophysical implications and can be used for testing such properties of the solar wind as velocity, density, and chemical composition. In present work experimental data for the state selective electron capture by He²⁺ ions from water molecules are presented. Three complimentary experimental techniques: Translational Energy Spectroscopy, Photon Emission Spectroscopy and Fragment Ion Spectroscopy were used for measuring state selective electron capture cross sections [5]. Experimental data are compared to the theoretical calculations. Theoretical calculations were carried out using basis approach which is proven to provide a good agreement with the experimental measurements. |
| format |
Article |
| author |
Vavrukh, M.V. Seredyuk, B.O. McCullough, R.W. |
| author_facet |
Vavrukh, M.V. Seredyuk, B.O. McCullough, R.W. |
| author_sort |
Vavrukh, M.V. |
| title |
Charge exchange processes from the collisions of alpha particles with water molecules |
| title_short |
Charge exchange processes from the collisions of alpha particles with water molecules |
| title_full |
Charge exchange processes from the collisions of alpha particles with water molecules |
| title_fullStr |
Charge exchange processes from the collisions of alpha particles with water molecules |
| title_full_unstemmed |
Charge exchange processes from the collisions of alpha particles with water molecules |
| title_sort |
charge exchange processes from the collisions of alpha particles with water molecules |
| publisher |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України |
| publishDate |
2008 |
| topic_facet |
Basic plasma physics |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/110780 |
| citation_txt |
Charge exchange processes from the collisions of alpha particles with water molecules / M.V. Vavrukh, B.O. Seredyuk, R.W. McCullough // Вопросы атомной науки и техники. — 2008. — № 6. — С. 84-86. — Бібліогр.: 7 назв. — англ. |
| series |
Вопросы атомной науки и техники |
| work_keys_str_mv |
AT vavrukhmv chargeexchangeprocessesfromthecollisionsofalphaparticleswithwatermolecules AT seredyukbo chargeexchangeprocessesfromthecollisionsofalphaparticleswithwatermolecules AT mcculloughrw chargeexchangeprocessesfromthecollisionsofalphaparticleswithwatermolecules AT vavrukhmv procesiperezarâdkiprizítknennâhalʹfačastinokzmolekulamivodi AT seredyukbo procesiperezarâdkiprizítknennâhalʹfačastinokzmolekulamivodi AT mcculloughrw procesiperezarâdkiprizítknennâhalʹfačastinokzmolekulamivodi AT vavrukhmv processyperezarâdkipristolknoveniâhalʹfačasticsmolekulamivody AT seredyukbo processyperezarâdkipristolknoveniâhalʹfačasticsmolekulamivody AT mcculloughrw processyperezarâdkipristolknoveniâhalʹfačasticsmolekulamivody |
| first_indexed |
2025-11-27T00:33:44Z |
| last_indexed |
2025-11-27T00:33:44Z |
| _version_ |
1849901585976524800 |
| fulltext |
CHARGE EXCHANGE PROCESSES FROM THE COLLISIONS OF ALPHA
PARTICLES WITH WATER MOLECULES
M.V. Vavrukh1, B.O. Seredyuk1, R.W. МcCullough2
1Ivan Franko Lviv National University, Department of Physics,
79005 Lviv, Ukraine, e-mail: b.seredyuk@mail.ru;
2Queen’s Univesity Belfast, Belfast BT7 1NN, United Kingdom
Collisions of multiply charged solar wind ions with cometary molecules lead to infrared and far ultraviolet photon
emissions [1]. As it was shown in previous work by [2-4] the resulting spectra of the emission yields have astrophysical
implications and can be used for testing such properties of the solar wind as velocity, density, and chemical
composition. In present work experimental data for the state selective electron capture by He2+ ions from water
molecules are presented. Three complimentary experimental techniques: Translational Energy Spectroscopy, Photon
Emission Spectroscopy and Fragment Ion Spectroscopy were used for measuring state selective electron capture cross
sections [5]. Experimental data are compared to the theoretical calculations. Theoretical calculations were carried out
using basis approach which is proven to provide a good agreement with the experimental measurements.
PACS: 31.10.+z, 34.70.+e
1. INTRODUCTION
Experimental and theoretical data of the collisional
processes between solar wind ions and cometary
molecules are needed for investigating comets by
detecting the resulting solar wind ions that underwent
collision with cometary molecules. In present work
experimental data for the state selective electron capture
by He2+ ions from water molecules are presented. Three
complimentary experimental techniques: Translational
Energy Spectroscopy, Photon Emission Spectroscopy and
Fragment Ion Spectroscopy were used for measuring state
selective electron capture cross sections [5]. Electron
capture cross sections obtained using each of the above
mentioned experimental techniques are in a good
agreement with one another. We used basis approach
which takes into account all possible reaction channels
from the collision of ions with complex molecules. The
system of coupled differential equations is obtained that
determine the amplitudes and cross sections of all the
possible reaction channels (eleastic and inelastic
scattering, electron capture into different quantum states,
impact ionization).
84 PROBLEMS OF ATOMIC SCIENCE AND TECHNOLOGY. 2008. № 6.
Series: Plasma Physics (14), p. 84-86.
2. RESULTS ON He2+ - H2O COLLISION
Three experimental techniques of Translational Energy
Spectroscopy (TES), Photon Emission Spectroscopy
(PES) and Fragment Ion Spectroscopy (FIS) were used to
measure state selective electron capture cross sections by
He2+ ions from H2O molecules. Those techniques are
described in detail in [5]. Each of the three above
mentioned techniques has its advantages and drawbacks.
All together they are complimentary and form a well
comprehensive picture of the charge transfer process.
Fig. 1 shows dependence of the cross sections of the
electron capture into various states of He+(n,l) on the
energy of the impact.
It is experimentally shown that at low collision energies
(less than 500 eV/amu) the following process dominates:
He2+ + H2O = He+(n = 1) + H2O2+ + e-. (1)
At higher collision energies: formation of He+(n = 2) is
the dominant one. A quasi classical theoretical
approaches, which treat nuclear motion classically and
electrons quantum mechanically, were used here to
estimate the cross sections. Our model calculations show
that He+(n = 2) formation proceeds via a single-electron
process governed by the nucleus-electron interaction. In
contrast, the He+(1s) formation mechanism involves an
exothermic two-electron process driven by the electron-
electron interaction, where the potential energy released
by the electron capture is used to create H2O2+ with a
further fragmentation.
0.1 1 10
(
Fig.1. State selective electron capture cross sections
measured using 3 independent experimental techniques
along with quasi-classical models of Landau-Zener and
Demkov
)
0.1
1
10
▲and ●TES, n = 2
▼and ■TES, n = 1
♦ PES, 2p
FIS, n = 1
—— theory n = 2
– – – theory n = 1
Δ, ○, and □ total cross section
Collision energy, kеV/amu
C
ro
ss
s
ec
tio
n,
1
0-
16
2
cm
0.1
1
10
)
0.1 1 10
(
▲and ●TES, n = 2
▼and ■TES, n = 1
♦ PES, 2p
FIS, n = 1
—— theory n = 2
– – – theory n = 1
Δ, ○, and □ total cross section
Collision energy, kеV/amu
C
ro
ss
s
ec
tio
n,
1
0-
16
2
cm
3. RESULTS ON H+ - H THEORY
85
r
According to the basis approach the wave function is
formed as a direct product of the wave functions from 3
different subsets:
{ } { } { } { }( ) ( ) ( ) ( )i j kr r r Rσϕ φ φ ϕ= ⊕ − ⊕ , (2)
where ( )i rφ are wave functions of the electron in the H+
target; ( )jφ ctronic wave functions of the atom
that captured the electron; and ( )k rϕ ort gonal waves
that describe free unbound electron. Then the total wave
function of the system is:
r R− ele
ho
( ) ( ) ( ), ( ) ( )+
( ) ( ) ( ) ( ),
i i
i
j j k k
j k
r R F R r r F R
r R F R r F R
σ σ
σ
ϕ φ
φ ϕ
Ψ = =
− ++
∑ ∑
∑ ∑
(3)
where ( )F Rσ are the functions that take into account the
formation of the bound states in H2
+ which is an
intermediate product. First approximation of ( )F Rσ is a
harmonic oscillator of the electron in the field of two
protons. The wave function of this oscillator was taken as
follows:
{ }0
0
9
( ) exp
3 2
,
a R
F R
a
π −
= ⋅ −
⎛ ⎞⎟⎜ ⎟⎜ ⎟⎜⎝ ⎠
R
where a – Bohr radius, R0 – internuclear distance with a
minimum potential energy of H2
+. Equation (3) contains
all the possible reaction channels: first summand – elastic
and inelastic scattering without charge exchange; second
summand – charge exchange; third summand – impact
ionization. The electron capture cross section is as
follows:
2
0
,2 ( ) sinjf d
π
σ π θ θ θ= ⋅ ⋅∫ (4)
where is the amplitude of the matrix element of
the effective interaction potential V
( )jf θ
eff(R), which is the
electrostatic potential avaraged on the initial and final
state wave functions. can be written as follows: ( )jf θ
{ }
( ) ( ){ }
( ){ ( )
( )
}
{ } ( )
0 1 2
2
0
0 0
1 *
0 0 0
2 *
0 0 0
( )
2
( ) exp
( ) ( ) exp ( , )
( ) ( ) exp ( , )
,
,
,
.
j j j j
eff
j
eff
j
eff
j
M
f w
dRV R i k R ik eR
dRV R F R i k R F k
dRV R F R ik e R F k
θ α α α
π
α
α
α
=− ⋅ − −
= −
=
= −
∫
∫
∫
*
0
0
here
The main contribution 0
jα is proportional to the matrix
element of the interaction potential of the incoming
proton with the target proton screened by the electron. 1
jα
and 2
jα are adjustments that take into account formation
of bound states in H2
+. Fig. 2 shows results of the
theoretical calculations along with the experimental
values. It is shown that theory and experiment are in a
good agreement.
0.001
0.01
0.1
1
10
100
0 50 100 150 200 2
Fig.2. Electron capture cross sections for H+ + H
collision: experiment - capture into H(n,l); theory capture
into H(1s)
CONCLUSIONS
TES, PES, and FIS experimental results for He2+ – H2O
collision are in a good agreement. Quasi classical
theoretical treatment of He2+ – H2O collision showed that
He+(n=2) formation proceeds via a single-electron process
governed by the nucleus-electron interaction. In contrast
He+(1s) formation mechanism involves an exothermic
two-electron process driven by the electron-electron
interaction, where the potential energy released by the
electron capture is used to create H2O2+. In this work we
have tested quantum mechanical basis approach for
calculating cross section of the electron capture of the
following collision: H+ + H(1s) = H(1s) + H+.
Experiment of [6] show that captures into states other
than 1s are negligible so we compared H(1s) theoretical
calculations with H(n,l) experimental values. Basis
approach has shown a good agreement with the
experimental data so it can be used for more complicated
collision systems such as: He2+ – H2O collision.
REFERENCES
1. T.E. Cravens// Science. 2002, v. 296, p. 1042.
2. P. Beiersdorfer, C.M. Lisse, R.E. Olson, G.V. Brown,
and H. Chen// Astrophys. J. Lett. 2001, v. 554, p. L99.
3. V. Kharchenko, M. Rigazio, A. Dalgarno,
V.A. Krasnopolsky// Astrophys. J. Lett. 2003, v. 585,
p. L73.
4. D. Bodewits, Z. Juhasz, R. Hoekstra, A.G. Tielens//
Astrophys. J. Lett. 2004, v. 606, p. L81.
5. B. Seredyuk, R. W. McCullough et. al.// Phys. Rev. A.
2005, v. 71, p. 022707.
6. H.B. Gilbody // Physica Scripta. 1981, v. 24, p. 712.
7. A.B. Wittkower, G. Ryding, and H.B. Gilbody // Proc.
Phys. Soc. 1966, v. 89, p. 541.
Article received 22.09.08.
5
Collision energy, keV
C
ro
ss
s
ec
tio
n,
*1
E-
16
c
m
2
experiment [6]
experiment [7]
basis approach
86
ПРОЦЕССЫ ПЕРЕЗАРЯДКИ ПРИ СТОЛКНОВЕНИЯХ АЛЬФА-ЧАСТИЦ С МОЛЕКУЛАМИ ВОДЫ
М.В. Ваврух, Б.А. Середюк, Р. МкКалоу
Столкновения многократно заряженных ионов солнечного ветра с нейтральными частицами комет
приводят к эмиссиям в рентгеновской и ультрафиолетовой областях [1]. Как было показано ранее [2–4],
исходящий спектр перезаряженных ионов может быть использован для тестирования таких свойств солнечного
ветра как скорость, концентрация и химический состав. Представлены экспериментальные данные для
частичного захвата электрона при столкновениях альфа-частиц с молекулами воды. Для измерений сечений
захвата электрона было использовано три независимые и взаимодополняющие методики – трансляционно-
энергетической спектроскопии, фотонно-эмиссионной спектроскопии и фрагментарно-ионной спектроскопи
[5]. Экспериментальные данные сравниваются с результатами теоретических расчетов. С этой целью нами
предложен метод базисного подхода к описанию таких столкновений и показано, что используемый метод
хорошо согласуется с экспериментальными данными.
ПРОЦЕСИ ПЕРЕЗАРЯДКИ ПРИ ЗІТКНЕННЯХ АЛЬФА-ЧАСТИНОК З МОЛЕКУЛАМИ ВОДИ
М.В. Ваврух, Б.О. Середюк, Р. МкКалоу
Зіткнення багаторазово іонізованих зарядів сонячного вітру з нейтральними частинками комет призводять
до емісій в рентгенівській і ультрафіолетовій областях [1]. Як було показано раніше [2–4], результуючий спектр
перезаряджених іонів може бути використаний для тестування таких властивостей сонячного вітру як
швидкість, концентрація частинок та хімічний склад. У роботі представлено експериментальні дані для
вибіркового захоплення електрона при зіткненнях альфа-частинок з молекулами води. Для вимірювань
поперечних перерізів захоплення електрона було використано три незалежні та взаємодоповнюючі методики –
трансляційно-енергетична спектроскопія, фотонно-емісійна спектроскопія та фрагментарно-іонна
спектроскопія [5]. Експериментальні дані порівнюються з результатами теоретичних розрахунків. З цією метою
нами запропоновано метод базисного підходу до опису таких зіткнень і показано, що теоретичні розрахунки
виконані з використанням цього методу добре узгоджуються з експериментальними даними.
|