通過電子碰撞使得氖原子發(fā)生單電離的過程中發(fā)現(xiàn)入射電子和靶核的強(qiáng)相互作用的證明

1、通過電子碰撞證明在單電離氖離子中的強(qiáng)彈靶核相互作用中國科學(xué)院近代物理研究所，蘭州730000，中國中國科學(xué)院研究生院，北京100049，中國2010年9月14號收到，2010年11月3號發(fā)表。反作用離子的動量分布通過電子碰撞在獨(dú)立的氖離子中測量，入射電子能量在80到2300ev?？梢园l(fā)現(xiàn)有顯著數(shù)量的反彈離子攜帶著很大的動量。并且這些離子的相關(guān)貢獻(xiàn)通過入射電子的動量進(jìn)一步減少表現(xiàn)得更加顯著。這些觀測到的行為表明在單電離反應(yīng)中存在強(qiáng)彈靶核相互作用。通過比較我們這些電子和氖的彈性碰撞的結(jié)果，我們推斷出入射電子和靶核的彈性碰撞在中低能量入射電子作用時有重要作用。 引論對于原子分子由于電子碰撞引起的單電

2、離的研究，也就是（e,2e）反應(yīng)，對于我們理解少體量子動力學(xué)有根本性的重要性。這個過程在許多等離子體現(xiàn)象中同樣發(fā)揮了重要作用。自艾哈德及其他人的先創(chuàng)性工作之后，人們在(e,2e)動力學(xué)的理論和實(shí)驗(yàn)上都做了大量的研究工作。大多數(shù)實(shí)驗(yàn)關(guān)注于理論模型已經(jīng)達(dá)到最高水平的的共面不對稱幾何理論，比如BBK的收斂密切耦合和扭曲波波恩近似理論，它們能夠令人滿意地重演實(shí)驗(yàn)結(jié)果，特別是對于簡單的靶目標(biāo)而言。除此之外，為了對碰撞動力學(xué)有一個更入的了解，特別是在強(qiáng)彈靶核相互作用中高階效應(yīng)的作用。仍然需要探索開發(fā)其他的碰撞幾何理論。關(guān)于在(e,2e)反應(yīng)中的高階效應(yīng)的作用，我們需要注意到在以前致力于此項(xiàng)課題的研究中，大

3、多數(shù)研究都是關(guān)注于比如氦和原子氫等簡單的靶離子。拜倫等人預(yù)測了在共面對稱幾何條件下處于1s態(tài)的氫原子的單電離的三維微分截面的一個有趣情形，那就是，在兩個出射電子都在散射平面中運(yùn)動的情形下，兩個出射電子移動軌跡相對于入射軸有相同的角度。這在第二個波恩項(xiàng)的計算中已經(jīng)包括了。根據(jù)拜倫的結(jié)果，第二個波恩項(xiàng)可以理解為對入射電子在和靶核的彈性碰撞中受到束縛電子作用的一個二階處理法。Pochat，F(xiàn)rost等人和Gelebart，Tweed通過1S2態(tài)的He原子的單電離的三維微分截面的測量，他們的測量結(jié)果證實(shí)了拜倫的預(yù)測。在莫瑞等人的工作中，他們考慮了非平面幾何的情況。在這個研究中，兩個具有相同能量的出射電

4、子都在一個和入射電子軸方向相垂直的一個平面上被探測到。對于這種幾何學(xué)情況，橫截面上電子數(shù)量出現(xiàn)最大上升的的位置在散射和射出電子的夾角為90,180,270度時的情況下。這種最大值的出現(xiàn)被張等人解釋為之前提到過的二階過程應(yīng)表現(xiàn)的一種現(xiàn)象。在另一個運(yùn)用同樣的幾何理論的實(shí)驗(yàn)中，阿爾哈根等人研究了He和氫分子做靶核的低能電子碰撞的（e，2e）反應(yīng)的三維微分截面。他們發(fā)現(xiàn)氦原子和氫分子的（e，2e）反應(yīng)有很大不同，他們依據(jù)二階過程解釋是因?yàn)椴煌暮肆龆斐刹煌膬蓚€結(jié)果。已知的是隨著原子序數(shù)Z的增加高階效應(yīng)的作用會變得越來越重要。所以，為了探索這種效應(yīng)，對于重原子核的（e，2e）反應(yīng)的研究是會非常讓人

5、滿意的。然而，最近只有很少的一些實(shí)驗(yàn)研究關(guān)注于這個課題。范波恩等人進(jìn)行了Mg的（e，2e）實(shí)驗(yàn)，和包含入射電子和目標(biāo)靶核的彈性散射的扭曲波波恩近似的計算結(jié)果符合地很好。任等人測量了氬的（e，2e）反應(yīng)的三維微分截面。作者比較了散射平面和包含彈射軸矢量并且垂直于散射平面的平面中的三維微分截面。他們在這兩個平面的氬的（e，2e）反應(yīng)中發(fā)現(xiàn)了一些相似之處，他們運(yùn)用之前提到過的兩步過程機(jī)制解釋了這種現(xiàn)象。所有之前致力于（e，2e）反應(yīng)的高階效應(yīng)的研究都是選擇了特殊的碰撞幾何情況和具有特定能量比的出射和散射電子并且一直僅關(guān)注于電子的特性。這樣的研究能夠研究出（e，2e）反應(yīng)中很細(xì)節(jié)的信息，特別是彈丸電子

6、和靶核的相互作用在反應(yīng)中發(fā)揮的作用。然而由于這些信息的角色有“高度差”，因此通過這些研究的考慮是很難獲得針對這些過程的的有普遍意義的綜述的。所以，問題就變?yōu)槲覀兪欠窨梢园l(fā)現(xiàn)一個能夠獲取對于（e，2e）反應(yīng)更加完整和緊湊的信息的方法，特別是不考慮過多碰撞幾何影響的入射電子與靶核的相互作用。在這篇文章中，我們將展示我們能夠通過測量目標(biāo)反沖離子的動量譜獲得這類信息（注意我們目前的實(shí)驗(yàn)假定是我們能夠覆蓋整個4立體角以百分之百的效率測量所有的靶核反沖離子的動量）。確實(shí)是這樣，入射電子和靶核之間的強(qiáng)相互作用可以通過在離子譜中表現(xiàn)出來的對于反沖離子的大量動量轉(zhuǎn)移來表現(xiàn)出來。而且，因?yàn)槲覀冇靡粋€反沖離子微粒取

7、代了出射電子和散射電子兩個微粒作為研究對象，那將具有更少的自由度因此我們對于電離過程將會得到更多的簡潔和補(bǔ)充的信息?？紤]到之前我們所說的，在這篇文章中我們通過測量反沖離子動量研究了電子碰撞中處于2p6態(tài)的氖的單電離。為了這些測量方法我們使用了在蘭州的近代物理研究所的縱向反應(yīng)顯微鏡。入射電子能量處于80到2300ev之間。反彈的氖離子的動量矢量被重建并且被用于逐一產(chǎn)生不同的微分截面。單電離過程的不同微分截面用來和電子和靶核的彈性散射的情況用來比較。本研究特別表明了當(dāng)沖擊能量降低時大縱向動量增加的相關(guān)貢獻(xiàn)并且同時在氖的（e，2e）反應(yīng)中入射電子和靶核的散射角大于90度時（反向散射）的散射在低能或者

8、中間能量電子入射時變得很重要。本篇中使用的都是原子單位除非被特別注明。實(shí)驗(yàn)進(jìn)行這個實(shí)驗(yàn)使用了縱向反應(yīng)顯微鏡。實(shí)驗(yàn)設(shè)置如圖1.實(shí)驗(yàn)中使用了頻率12KHz脈沖寬度20ns的脈沖電子束。脈沖電子束被局限于一對亥姆霍茨線圈產(chǎn)生的5高斯的均勻磁場中，并與雙階段超音速氣體射流產(chǎn)生的氖靶核碰撞。產(chǎn)生的氖離子被0.5V/CM的靜電場篩選和加速。然后離子通過無場空間漂移區(qū)并最終撞擊位置靈敏探測器的延遲線緩存器的陽極。如圖一所示反沖離子探測器位于入射電子束之下。飛行的位置和時間信息資料一個接一個地被數(shù)據(jù)接收平臺系統(tǒng)記錄。殘余電子束被一個法拉第杯收集。之后在離線數(shù)據(jù)分析中，反沖電子的動量矢量能夠被重新建構(gòu)。徑向動量

9、的分辨率估計是0.4個原子單位。結(jié)果和討論在圖2中給出了入射碰撞電子能量分別為2300,220,180,144,110和80ev時的反沖氖離子的二維光譜。橫坐標(biāo)是縱向動量，縱坐標(biāo)是橫向動量。檢視在圖二中的這些平面圖可以發(fā)現(xiàn)以下四個反沖離子動量譜的有趣特點(diǎn)。首先，動量分布有一個相似的形狀，形狀都像一個半圓帶（查看在圖二（c）中被實(shí)線包絡(luò)的空間）。第二，大部分反沖離子有相近的小動量在他們的縱向動量分布率為0的時候。第三，同樣有顯著數(shù)量的反沖離子攜帶的是兩倍于彈丸電子初動量且為最大值的縱向動量。第四，當(dāng)入射電子能量減少時，第二個最大值出現(xiàn)在大縱向動量上，這個最大值變得隨著入射電子能量的減少變得更加明

10、顯。我們注意到在能量較高的電子碰撞的情況下，反沖離子在縱向動量為0時有一個最大的分布率。特別是當(dāng)動量譜不蔓延到大動量范圍內(nèi)的情況下。為了解釋我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，我們首先考慮了針對彈性碰撞的兩體動力學(xué)分析。在這個計算中，k0, ka和K分別代表入射電子的動量，散射電子的動量和轉(zhuǎn)移的動量（反沖離子的動量）。代表散射角。對于兩體彈性散射，散射電子和靶核的動量之和一定要和入射電子的初始動量相等，也就是，k0 = ka + q, K = k0 ka = q.因此，反沖靶核的動量總是會在以（k0，0）為圓心，k0為半徑的半圓周內(nèi)（圖三中的半圓形虛線）。對于一個非彈性碰撞，靶核在其中經(jīng)歷了向激發(fā)束縛態(tài)的轉(zhuǎn)變，由

11、此反沖動量遭受了能量損失，由此將聚集出現(xiàn)在一個半徑減小的半圓周內(nèi)（圖三中的半圓形實(shí)線）。散射角可以從反沖靶核和入射彈丸電子的動量矢量中推算出來。一般來說，反沖靶核在是95度時有最小的橫向動量，變小的縱向和橫向動量在散射角趨近于0時，變大的縱向動量和變小的橫向動量在散射角趨近于180度時。對于單電離過程在最終狀態(tài)有三個微粒。反沖離子，出射和散射的電子。現(xiàn)在我們有k0 = ka + kb + q，kb是出射電子的動量，并且對于彈性散射而言沒有一個與此相似的簡單的動力學(xué)模型。反沖離子的動量可以說為q = k0 ka kb = K kb?？梢悦黠@看出，由于kb的非零值，反沖離子動量會分布在半圓形條中而

12、不是在半圓形曲線上（如圖二中實(shí)線限定的區(qū)域）。這個現(xiàn)象可以解釋圖二中所表示的反沖離子動量分布的形狀和范圍。為了對在（e，2e）反應(yīng)中的反沖離子的動量譜做一個更深的分析，我們定義一個新的動量矢量ks = ka + kb。動量矢量ks的方向可以被定義（如圖三所示）。如果在最終狀態(tài)中出射電子攜帶很小的動量，我們可以得到等于，（e，2e）動力學(xué)可以被近似為一個包含靶核激發(fā)的非彈性碰撞的兩體問題?？紤]到cos = (k0 q_)/（(k0 q_)2 + q2）1/2，我們可以看出當(dāng)趨近于95度時圖二中的動量分布有一個最小值。另外，第二個最大值出現(xiàn)在大于160度時，與反沖離子的一個非常大的縱向動量相一致。

13、這意味著我們遇到了反向散射。假如在我們（e，2e）反應(yīng)中，靶核只是一個旁觀者或者只有入射電子和碰撞電子之間的相互作用起作用，那么這個反向散射不可能發(fā)生。所以我們認(rèn)為大縱向動量的第二個最大值反映了入射電子和靶核之間的強(qiáng)相互作用。為了理解在等于95度時出現(xiàn)最小值這種現(xiàn)象和與此相關(guān)的反向散射造成的單電離截面的增加，我們研究了關(guān)于的截面微分。這個截面是通過在一個圓帶中的反沖離子動量的選擇來計算的（如圖四中所示形狀）。圓帶是被兩個半徑為k ± 的圓周包圍所形成的空間。K是散射電子的動量矢量，它的能量損失被當(dāng)作為27ev（多少有點(diǎn)武斷），同時為0.5個原子單位。后者的選擇是為了從這個動量范圍內(nèi)選

14、擇足夠的電離事例使得截面（沿著半徑方向）變得平滑。逐一變化的微分截面（d/sin d）被當(dāng)做的函數(shù)，此函數(shù)針對于能量為220,144,110ev的入射電子碰撞引起的氖的單電離，分別如圖五a，b，c所示。作為一個對比，我們分別在圖五e，d，f中逐一變化的微分截面以200,150,100ev的入射電子入射的電子和氖原子的彈性散射以散射角為自變量的函數(shù)。這些數(shù)據(jù)是從18,19參考文獻(xiàn)中得到的。根據(jù)圖五a和d，通過220ev入射電子的碰撞和200ev的入射電子的散射的電離截面都在0度角時有最大值，然后減小直到角度減小到90度左右達(dá)到最小值。隨著角度的進(jìn)一步減小，截面開始增加。因此，兩個微分截面都表現(xiàn)出

15、相似的行為，特別是，兩者之中反向散射占總散射的比率是相似的。當(dāng)入射彈丸電子的能量減少時（如圖五bc和ef所示），截面最小值的位置將會保持不變并且反向散射的相關(guān)貢獻(xiàn)對于電離和彈性散射都變得更加重要，我們可以看出在這些圖形中電離和彈性微分截面的相似性在所有不同能量的入射電子情況下均保持相似性。我們認(rèn)為我們的結(jié)果和彈性散射的結(jié)果的相似性可以歸因于入射電子和靶核的相互作用，在有入射電子和受激靶電子的相互作用同時影響的情況下。因此，在重原子的（e，2e）反應(yīng)中低能碰撞入射電子和靶核的相互作用發(fā)揮了重要作用。為了更多的觀測數(shù)據(jù)我們進(jìn)行了一個150ev的入射電子引起的氦原子的單電離的實(shí)驗(yàn)。然而在這種情況下截

16、面沒有最小值并且大角度散射被強(qiáng)烈抑制了。而且注意到有一個已知的相似行為發(fā)生在電子和氦原子的散射上。我們還要補(bǔ)充一條，除了我們之前討論的電離和彈性散射的相似行為，它們之間仍然有一定的不同。比如，在彈性散射的情況下，當(dāng)入射電子的能量減小時，截面最小值的位置會轉(zhuǎn)移到大角度（比較圖五def）。與此相反的是，在氖原子的（e，2e）反應(yīng)中最小值的位置幾乎沒有改變在入射電子的能量改變的情況下。另外，在彈性散射中，最小值隨著入射電子能量變化顯得更深和更為狹窄。然而在電離中，最小值的深度和寬度幾乎不依賴能量。概要通過能量為80到2300ev的入射電子的電子碰撞引起氖原子的（e，2e）反應(yīng)發(fā)生電離的動力學(xué)已經(jīng)通過

17、測量反沖離子的動量研究過了。測量到的動量分布給我們提供了一個更加一般的綜述關(guān)于電離過程。我們發(fā)現(xiàn)在低能碰撞的情況下反沖離子的二維動量分布出現(xiàn)了兩個最值。一個位于小的反沖動量區(qū)域附近，和小散射角有關(guān)。另一個出現(xiàn)在大的縱向動量區(qū)域附近并且與反向散射有關(guān)。第二個最值對于截面的相關(guān)貢獻(xiàn)在入射電子能量減小的時候變大。我們比較了我們通過電子碰撞引起氖原子的單電離的數(shù)據(jù)和電子氖原子彈性散射的數(shù)據(jù)。這個比較揭示了在兩個過程中的橫截面有重要的相似性。這樣我們就可以通過揭示電子和靶核之間的相互作用在氖離子的單電離中發(fā)揮重要作用解釋我們的氖原子的（e，2e）反應(yīng)結(jié)果。特別是在低能碰撞的情況下這種相互作用顯現(xiàn)地足夠強(qiáng)以至于有明顯數(shù)量的電子經(jīng)歷了散射角度大于90度的散射。為了從反向散射角度得到對碰撞動力學(xué)更好的理解，比如對于出射電子的探索這類的進(jìn)一步研究需要繼續(xù)。致謝這個工作被中國國家自然科學(xué)基金委員會的10979007和10674140號基金支持，作者也感謝A. B. Vo