Reactive collisions driven by non-adiabatic effects


Project leader


Funding source

Swedish Research Council - Vetenskapsrådet (VR)


Project Details

Start date: 01/01/2015
End date: 31/12/2018
Funding: 3200000 SEK


Description

Inom molekylfysiken, liksom inom all övrig fysik är det viktigt med ett nära samarbete mellan experiment och teori. Det är genom detta samarbete som vi verkligen kommer att kunna få en grundläggande förståelse av molekylära reaktioner. I dag går det att experimentellt utföra kollisioner där både reaktanter och produkter är i välbestämda kvanttillstånd. Ett exempel på sådan experimentell verksamhet är DESIREE - en dubbel lagringsring där man i den ena ringen lagrar positivt laddade joner och i den andra ringen lagrar negativt laddade joner. De två ringarna har en gemensam sektion där jonerna kan kollidera under väldefinierade relativa hastigheter (varav kollisionsenergin kontrolleras). Hela lagringsringen kyls ned till ca 10 K och därmed kontrolleras jonernas inre energi innan kollisionerna sker. Det har tagit många år att bygga anläggningen vid Fysikum på Stockholms Universitet och man har idag lagrat både positiva och negativa joner i de två ringarna. Då denna ansökan skrivs utförs de första mätningarna på laddningsöverföring då positiva och negativa vätejoner kolliderar. Vi utför teoretiska studier av dessa reaktioner. Då en positiv och en negativ jon kolliderar kan en elektron föras över från den negativa till den positiva jonen så att två neutrala fragment bildas. Det molekylära jon-par tillstånd som bildas när de motsatt laddade jonerna förs samman är högt exciterat. För detta högt exciterade tillstånd är växelverkar molekylens kärnrörelser med elektronernas rörelser. Denna växelverkan ger upphov till så kallade icke-adiabatiska kopplingar mellan molekylens elektrontillstånd och det är dessa kopplingar som för över elektronen mellan jonerna när det närmar sig varandra. Vi utför kvantmekaniska studier på dessa typer av processer och beräknar inte bara totala reaktionshastigheten utan även vilka fragment som bildas och bestämmer vinkelfördelningen hos fragmenten. Vi har tidigare studerat ömsesidig neutralisering då H+ och H- kolliderar. Nu utför vi detaljerade studier av kollisioner mellan He+ och H-. Nästa steg i teoriutvecklingen är att inte bara studera kollisioner mellan atomär joner utan även undersöka kollisioner mellan atomiska och molekylära joner. Genom att införa en atom till, så blir den kvantmekaniska beskrivningen av reaktionen betydligt mer komplicerad. Samma typer av elektrontillstånd kan nås inte bara genom kollisioner av joner utan även då molekylära joner fångar en elektroner, eller då molekylerna absorberar ljus. Ett mål i detta projekt är att studera en mängd olika reaktioner som alla berör samma elektroniska tillstånd i HeH. Eftersom HeH endast har tre elektroner har vi kunnat utföra noggranna beräkningar av potentialkurvor och kopplingar. Vi vill nu undersöka hur bra vi kan beskriva dessa olika reaktioner för detta system. När bryter approximationerna vi utför samman och varför? Kan vi se kvantmekaniska effekter i tvärsnitten, såsom resonanser och eller interferens? Genom att förstå hur vi kan teoretiskt beskriva dessa reaktioner för ett så pass grundläggande system som HeH förbereder vi oss för att hantera än mer komplicerade system. När en positivt laddad molekylär jon fångar in en elektron med låg energi, blir molekylen neutral och får så pass mycket inre energi att den faller sönder i olika fragment. Om neutrala fragment bildas kallas processen dissociativ rekombination. Experimentella studier har visat att då en elektron fångas in av en molekylär jon kommer i allmänhet inte bara en bindning brytas utan flera och detta strider mot all kemisk intuition. Än så länge finns det ingen ordentlig teoretisk studie som kan förklara detta. Dessa typer av reaktioner är väsentliga för kemin i interstellära moln. Man har idag observerat runt 180 olika typer av molekyler i dessa moln och molekylerna gör så att gasen kan kylas ned. När gasen är tillräckligt nedkyld så dras den samman av gravitation och tillslut blir den så pass tät så att stjärnor kan födas. För att förstå hur molekylerna bildas i denna gas, måste man förstå hur de går sönder och den huvudsakliga mekanismen för att neutralisera och dissociera molekylära joner är genom låg-energetiska kollisioner med fria elektroner. Det som astrofysikerna behöver veta är inte bara reaktionshastigheterna för dessa processer utan även vilka fragment som bildas.

Last updated on 2017-22-03 at 07:13