Введение к работе
Актуальность проблемы
В 1947 году в работе Ферми и Теллера [1], посвященной захвату мезона атомом водорода, впервые было отмечено, что точечный диполь со значением момента d > 1.625 D (1 Дебай = 0.393 а. е.) может образовывать бесконечное число связанных состояний в поле электрона. Фактически, эта работа открыла новое направление исследований в атомно-молекулярной физике. Новый класс частиц, существование которых было обусловлено взаимодействием дипольного момента с кулоновским полем электрона, получил название дипольно-связанных анионов (ДСА). Актуальность изучения ДСА обусловлена тем, что они обладают рядом специфических свойств, делающих их важным объектом исследования как с фундаментальной, так и практической точки зрения. Так, энергия связи электрона в таких анионах составляет Еь = 0.1 -j- 20 мэВ1, что на первый взгляд чрезвычайно затрудняет работу с ними, но с другой стороны, электрон почти не изменяет геометрическую конфигурацию нейтральной молекулы, и спектры фотоэлектронов несут в себе информацию о ее строении. Следовательно, дипольное связывание является почти идеальным невозмущающим и обратимым способом изучения полярной нейтральной молекулы. Это открывает возможность для распространения мощных методов, ранее применимых только к заряженным частицам, таких как обнаружение отдельной частицы или управление ею с помощью электромагнитного поля, на большой класс нейтральных частиц (молекул, кластеров) в газовой фазе. Помимо этого, присоединение электрона к полярной молекуле очень часто встречается в химических и биологических реакциях, протекающих как в газообразных, так и в конденсированных фазах. Рассматриваемые анионы играют огромную роль и в биологии, что связано, во-первых, с возможностью исследования с их помощью больших органических молекул (например, аминокислоты, ДНК) и, во-вторых, с тем, что решающую роль в биологических процессах играют нековалентные связи [2]. Другой особенностью ДСА является то, что они представляют собой промежуточный случай между нейтральными атомами и атомными анионами с точки зрения порогового поведения сечения фотоотрыва электрона [3]. Большое значение для практических приложений имеет изучение реакций с участием ДСА во внешних полях. Так, например, недавно был предложена методика вынужденного фотоприлипания электронов в реакциях с участием ДСА под действием лазерного поля [4], на основе которой может быть развит метод определения сверхмалых концентраций взрывчатых и наркотических веществ в газовой фазе.
1Речь идет об анионах, образованных за счет мультипольных потенциалов
Таким образом, задача вычисления параметров движения электрона в нецентральном (дипольном, кулон-дипольном) поле в основном и возбужденном состояниях представляет несомненный интерес для анализа различных проблем атомно-молекулярной физики и ее практических приложений.
Цели и задачи диссертации
Целью настоящей диссертационной работы является модификация и уточнение существующих теоретических моделей, используемых при интерпретации результатов в различных экспериментальных методах исследования слабосвязанных молекулярных анионов. Несмотря на то, что в настоящее время существует несколько развитых теоретических подходов к изучению отрицательных ионов как в столкновительных реакциях, так и при их взаимодействии с внешним излучением, существуют экспериментальные результаты, которые до сих пор не получили достаточно полного теоретического обоснования. К таким результатам относятся:
аномально малое время жизни молекулярных дипольно-связанных анионов, полученных в результате перезарядки на ридберговских атомах в стокновительных реакциях
аномально большое сечение перезарядки дипольно-связанных анионов на полярных молекулах
В связи с вышесказанным в диссертации решаются следующие конкретные задачи:
Получение аналитического выражения для времени жизни молекулярных анионов в поле излучения абсолютно черного тела как функции дипольного момента родительской молекулы, энергии связи электрона в анионе и температуры окружающей среды.
Получение аналитического выражения для сечения резонансной перезарядки дипольно-связанного молекулярного аниона на полярной молекуле как функции дипольного момента молекул, энергии связи электрона в анионе и скорости столкновения частиц. Анализ возможности возникновения связанного состояния двух молекул, т.е молекулярного димера, в процессе перезарядки.
Получение наиболее полной системы различных схем связи угловых моментов для ротационно-ридберговских состояний полярных молекул.
Научная новизна и значимость работы
В работе впервые проведены расчеты времени жизни слабосвязанных молекулярных анионов CHsCN", CDsCN", C2H3CN-, (CH3)2SO- и C4H4N^ в тепловом поле излучения абсолютно черного тела. На основании проведенных расчетов показано, что аномально малое время жизни анионов обусловлено эффектом взаимодействия с чернотельным излучением, которое в данном случае не может считаться пренебрежимо малым, как предполагалось ранее, и должно приниматься во внимание при интерпретации экспериментальных данных.
Впервые проведен расчет сечения перезарядки дипольно-связанных анионов на полярных молекулах. Впервые получены выражения, позволяющие вычислить зависимость энергии связи электрона в молекулярном димере от дипольного момента молекулы.
Получено более 30 различных схем связи моментов для ротационно-ридберговских состояний полярных молекул, указаны условия их реализации в терминах величин внутримолекулярных взаимодействий, для которых приведены аналитические оценки. Для каждого из рассмотренных случаев приводятся аналитические выражения, описывающие линейный эффект Зеемана и эффект Пашена-Бака.
Тема диссертации входит в план научно-исследовательских работ Воронежского госуниверситета. Исследования по теме диссертации были поддержаны:
Совместной программой Basic Research and Higher Education Министерства образования и науки РФ и Civillian Research & Development Foundation, проект RUXO-010-VZ "Linear and Nonlinear characteristics of Individual Atoms and Molecules in Laser Field";
Министерством образования и науки РФ (проект "Исследование взаимодействия лазерного излучения с малоатомными системами", № госрегистрации 0120.0602164);
Российским фондом фундаментальных иследований (гранты № 04-02-016649-а "Эффекты динамической поляризуемости в малоатомных системах'^ № 07-02-01096-а "Электромагнитные и реакционные характеристики полярных молекул").
Основные положения, выносимые на защиту
Аналитическое выражение для времени жизни дипольно-связанных ани
онов в тепловом поле излучения абсолютно черного тела.
Аналитическое выражение для сечения резонансной перезарядки дипольно-связанного молекулярного аниона на полярной молекуле
Возможность образования молекулярных димеров в реакциях резонансной перезарядки слабосвязанных анионов на полярных молекулах.
Аналитические выражения матричных элементов, описывающие линейный эффект Зеемана и эффект Пашена-Бака для ротационно-ридберговских состояний полярных молекул в магнитном поле.
Практическая значимость работы
Полученные результаты представляют интерес для молекулярной физики и ее приложений. Теоретические времена жизни ДСА в поле теплового излучения хорошо согласуются с экспериментальными значениями; данная работа осуществлена в соавторстве с группой экспериментаторов из университета Rice University, Houston (США). Теоретические значения сечения резонансной перезарядки ДСА на полярных молекулах также хорошо согласуются с экспериментальными результатами, полученными этой группой.
Апробация результатов работы
Основные результаты исследования опубликованы в журналах «Physical Review A» «Chemical Physics Letters» и «Оптика и спектроскопия» а также доложены на следующих конференциях: 26 International Conference On Photonic, Electronic and Atomic Collisions, ICPEAC-2009, 22-28 July 2009, Kalamazoo, Michigan; 18 Конференция по фундаментальной атомной спектроскопии, 22-26 октября 2007, Звенигород; XV International Symposium on High-Resolution Molecular Spectroscopy HighRUS-2006, July 18-21, 2006, Nizhni Novgorod.
Публикации
