Структура и подвижность отрицательных ионов в плотных газах и жидкостях тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.14, кандидат физико-математических наук Волыхин, Константин Федорович

• Волыхин, Константин Федорович
• кандидат физико-математических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Волыхин, Константин Федорович

Введение

1 Структура и подвижность ионов. Обзор литературы

2 Структура отрицательного ионного комплекса в средах с малой поляризуемостью

2.1 Образование отрицательного иона.

2.2 Изолированный отрицательный ион.

2.3 Отрицательный ион в плотном гелии.

2.4 Свободная энергия.

2.5 Границы применимости модели.

2.6 Краткие выводы.

3 Приближение самосогласованного поля

3.1 Постановка задачи.

3.2 Отрицательный ион в среде.

3.3 Функционал свободной энергии.

3.4 Пробная волновая функция.

3.5 Эффективный потенциал.

3.6 Структура отрицательного иона.

3.7 Краткие выводы.

4 Подвижность отрицательного иона в гелии и неоне

3.1 Подвижность О2 в кинетическом режиме.

3.2 Подвижность О\ в гидродинамическом режиме.

3.3 Краткие выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Структура и подвижность отрицательных ионов в плотных газах и жидкостях»

Актуальность. Исследование структуры и транспортных свойств инжектированных в диэлектрическую среду заряженных частиц находится на стыке различных областей современной физики и представляет интерес, как для фундаментальных исследований, так и для многих приложений (детекторы ионизирующего излучения, плазмохимические системы, различные газоразрядные устройства). Экспериментальные и теоретические результаты, полученные за последние три десятилетия, позволили существенно углубить понимание процессов, происходящих в физике сильно-неупорядоченных конденсированных систем, электронике жидкостей и газов, теории многочастичных взаимодействий и физики кластеров. Интенсивному исследованию структуры и подвижности ионов и электронов в плотных газах и жидкостях во многом способствовало использование заряженных носителей в качестве зондов для исследования взаимодействия заряженных частиц со средой, структуры среды вблизи иона на микроскопическом масштабе и возбуждений, которые в ней возникают. Особое внимание в последние десятилетия было привлечено к исследованию природы и подвижности заряженных носителей в сверхтекучем и нормальном жидком гелии, в других инертных газах и углеводородах. На сегодняшний день как теория, так и эксперимент существенно продвинулись в описании структуры и транспортных свойств положительных ионов. Вследствие эффекта электрострикции вблизи иона сильно меняются локальные свойства среды (например плотность, давление, вязкость), что при определенных условиях приводит к затвердеванию жидкости вблизи иона и образованию кластера. В этом случае подвижность иона определяется подвижностью кластера и слабо зависит от сорта положительного иона. Значительно меньше известно о структуре и транспортных свойствах отрицательных ионов. Особенный интерес вызывает ион О ~2 , так как кислород присутствует в качестве примеси практически во всех экспериментах. В ряде экспериментальных работ была обнаружена аномально высокая подвижность примесных отрицательных ионов в плотных газообразных и жидких инертных газах. Эффект электрострикции не зависит от знака заряда, поэтому модель, предложенная Аткинсом и общепринятая в настоящее время для объяснения транспортных свойств положительных ионов, использовалась и в случае отрицательных ионов. Однако, попытки интерпретировать эту аномалию в рамках электрострикционной модели не имели успеха. Развитие теории, описывающей структуру и объясняющей поведение отрицательных ионов в газах и жидкостях, требует корректного учета взаимодействия электрона отрицательного иона со средой, учета влияния среды на состояние иона и самосогласованного возмущения среды вблизи отрицательного иона.

Целью настоящей диссертации является теоретическое исследование структуры и подвижности отрицательных ионов в плотных инертных газах и жидкостях. Для достижения цели были поставлены следующие задачи:

1. Исследование структуры отрицательного иона в плотных средах с низкой поляризуемостью (Не). Построение аналитической модели, описывающей образование микрополости вокруг отрицательного иона.

2. Исследование структуры отрицательно заряженного комплекса в плотном газообразном гелии и неоне методом функционала плотности. Обобщение приближения самосогласованного поля на случай слабосвязанного электрона отрицательного иона.

3. Исследование структуры отрицательного иона в жидком ксеноне на линии насыщения. Построение аналитической модели, описывающей структуру, образующегося ионного комплекса.

4. Расчет подвижности отрицательно заряженного комплекса молекулы кислорода в закритическом гелии и неоне, а также в жидком ксеноне на линии насыщения.

Научная новизна результатов, полученных в работе, состоит в следующем: Предложена аналитической модель отрицательного иона в среде с малой поляризуемостью. Показано, что в вокруг отрицательного иона в среде при определенных условиях образуется микропузырек. В рамках упрощенной модели установлена качественная зависимость энергии связи электрона в отрицательном ионе и размера полости от термодинамических параметров среды.

Приближение самосогласованного поля, развитое для описания электронной автолокализации, обобщено на случай слабосвязанного электрона отрицательного иона в среде. Методом функционала плотности, в приближении самосогласованного поля проведен расчет профилей локальной плотности и вязкости среды вблизи иона. Исследовано влияние внешних термодинамических условий на их формирование.

Предложена модель, описывающая структуру отрицательного иона в жидком ксеноне. Показано, что сильное обменное взаимодействие внешнего слабосвязанного электрона отрицательного иона с жидкостью приводит к частичной компенсации эффекта электрострикции и препятствует образованию вокруг отрицательного иона твердотельного кластера.

Проведен расчет подвижности отрицательного иона молекулы кислорода в закритическом гелии и неоне, и в жидком ксеноне на линии насыщения с учетом локального изменения свойств среды вблизи иона.

Результаты исследований обобщены в виде следующих положений, выносимых на защиту:

Установлено, что учет обменного взаимодействия внешнего слабосвязанного электрона отрицательного иона с валентными электронами атомов или молекул среды является принципиально важным и приводит в случае сред с малой поляризуемостью к образованию вокруг отрицательных иона микроскопических полостей- пузырьков, а не кластеров как считалось ранее.

В газах с более высокой поляризуемостью или жидкостях конкуренция между дальнодействующим поляризационным притяжением и короткодействующим обменным отталкиванием приводит к образованию ионных комплексов более сложной структуры - практически пустой полости, в непосредственной близости к иону, окруженной слоем уплотнения. Плотность атомов среды в таком уплотнении может существенно превышать среднюю плотность атомов в среде.

Показано, что в жидком ксеноне сильное обменное взаимодействие внешнего слабосвязанного электрона отрицательного иона с жидкостью приводит к частичной компенсации эффекта электрострикции и препятствует образованию вокруг отрицательного иона твердотельного кластера. Это позволило объяснить причину значительно более высокой подвижности отрицательных ионов молекулы кислорода в жидком ксеноне по сравнению с положительными ионами.

Транспортные свойства ионных комплексов непосредственно связаны с характером их структуры. Учет изменения локальных свойств окружения в расчетах подвижности позволил объяснить аномальную подвижность отрицательного иона молекулы кислорода в плотном закритическом газообразном гелии и в неоне. Показано, что аномальный вид кривой подвижности отрицательного иона в неоне может быть объяснен изменением структуры ионного комплекса сменой режимов его подвижности. Показано, что в промежуточной области по плотности (плотный газ), вплоть до критической плотности, подвижность иона может быть интерпретирована как подвижность жидкого кластера в плотном газе. При больших плотностях подвижность ионного комплекса представляет собой подвижность пузырька в возмущенной вблизи него жидкости.

Апробация работы. Результаты работы были представлены на Международной конференции по физике низкотемпературной плазмы (Петрозаводск, 1995); International Conference on Conduction and Breakdown in Dielectric Liquids (Rome, Italy, 1996); International Conference UCLA (Los Angeles, USA, 1996); International Workshop on Electrohydrodynamics (Sevilla, Spain, 1998); нескольких семинарах Теоретического отдела МВТ РАН.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 8 печатных работ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения и пяти глав, содержит 103 страницы машинописного текста, 18 рисунков и 73 наименования использованной литературы.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Волыхин, Константин Федорович, 2000 год

1. Л. Д. Ландау, Е. М. Лифшиц, Физическая кинетика. // Наука, Москва (1989).

2. М. А. Кривоглаз, Флуктуонные состояния электронов. // УФН 111, 6171973).

3. А. Г. Храпак, Е. М. Якубов, Электроны в плотных газах и плазме. // Наука, Москва (1981).

4. V. В. Shikin, Mobility of Charges in Liquid, Solid and Dense Gaseous Helium. // Sov. Phys. Usp., 20, 226 (1977).

5. K. W. Shwarz, Mobilities of Charge Carriers in Superfluid Helium

6. Linking the Gaseous and Condensed Phases of Matter: The Behavior of Slow Electrons. // ed. by L. G. Christophorou, E. Illenberger, and W. F. Schmidt, Plenum Press, New York (1994).

7. J. Levin, Т. M. Sanders, Mobility of Electrons in Low-Temperature Helium Gas. //Phis. Rev., 154, 138 (1967).

8. А. Г. Храпак, E. M. Якубов, К теории состояния электронов, инжектированных в плотный газ. // ЖЕТФ, 69, 2042 (1975).

9. К. R. Atkins, Positive Ions in Liquid Helium. // Phys. Rev. 116, 1339 (1959).

10. Battels, Appl. Phys. 8, 59 (1975).

11. F. Borghesani, D. Neri and M. Santini, Low-Temperature O^ mobility in high-density neon gas. // Phys. Rev. E 48, 1379 (1993).12. 0. Hilt, W. F. Schmidt, and A. G. Khrapak, Ionic Mobilities in Liquid Xenon. // IEEE Trans. Electr. Ins. 19, 1285 (1994).

12. Б. M. Смирнов, Ионы и возбужденные атомы в плазме. // М., Атомиздат1974).

13. В. П. Силин, Введение в кинетическую теорию газов. // Наука, Москва (1989).

14. Е. A. Mason, Е. W. McDaniel, Transport Properties of ions in Gases. // 1986.

15. Б. M. Смирнов, Диффузия и подвижность ионов в газе. // УФН, 92, 75 (1967).

16. Н. Т. Devis, S. A. Rice and L. Meyer, On the Kinetic Theory of Simple Dense Fluids. // J. Chem. Phys., 37, 947 (1962).

17. S. A. Rice and A. R. Allnatt, J. Chem. Phys., 34, 2144 (1961).

18. R. M. Ostermeier and K. W. Schwarz, Motion of Charge Carriers in Normal He4. // Phys. Rev. A, 5, 2510 (1972).

19. M. W. Cole and T. J. Sluckin, Nucleation of freesing by charged particles. // J. Chem. Phys., 67, 746 (1977).21 . R. I. Williams, Ionic Mobilities in Argon and Helium Liquids. // Can. J. Phys., 35, 134(1957).

20. J. Levin, Т. M. Sanders, Anomolous Electron Mobility and Complex Negative Ion Formation in Low-Temperature Helium Vapor. // Phis. Rev. Lett., 8, 159 (1962).

21. F. Borghesani and M. Santini, Electron Mobility and Localization Effects in High-density Ne gas. // Phys. Rev. A 42, 7377 (1990).

22. J. P. Hernandez, Electron Self-Trapping in Liquids and Dense Gases. // Rev. Mod. Phys., 63, 675 (1991).

23. R. A. Ferrell, Long Lifetime of Positronium in Liquid Helium. // Phys. Rev. 108, 167(1957).

24. К. Хуанг, Статистическая механика. //Мир, 1966.

25. И. М. Лифшиц, О структуре энергетического спектра и квантовых состояний неупорядоченных конденсированных систем. // УФН, 83, 6171964).

26. И. М. Лифшиц, Гредсекул, Флуктуационные уровни и макроскопическая поляризация среды частицей с короткодействующими силами. // ЖЭТФ, 57, 2209 (1969).

27. А. Г. Храпак, И. Т. Якубов, Позитронные кластеры в плотных газах. // ЖЭТФ, 23, 466 (1976).

28. Е. Springett, М. Н. Cohen and J. Jortner , Properties of an Excess Electron in Liquid Helium: The Efect of Presure on the Properties of the Negative Ion. // Phys. Rev., 159, 183 (1967).

29. E. Springett, J. Jortner and M. H. Cohen, Stability Criterion for the Localization of an Excess in a Nonpolar Fluid. // J. Chem. Phys., 48, 2720 (1968).

30. X. Yan and S. Tsai, Localisation of a Quantum-mechanical Particle in Classical Simple Fluids. // Phys. Rev. A, 46, 4704 (1992).

31. J. Zhu and R. I. Cukier, A Mean-field Theory of a Localized axcess electron in a classical fluid. // J. Chem. Phys., 99,1288 (1993).

32. Fermi, Nuovo Cimento, 11,157 (1934).

33. О. Б. Фирсов, Влияние инородного газа на спектр поглощения вблизи границы серии. //ЖЭТФ, 21, 627 (1951).

34. В. А. Алексеев, И.И. Собельман, О спектроскопическом методе исследования упругого рассеяния межленных электронов. // ЖЭТФ, 49, 12741965).

35. W. I. Glaberson and W. W. Jonson, J. Low. Temp. Phys., 20, 313 (1975).

36. M. W. Cole and R. A. Bachman, Structure of Positive Impurity Ions in Liquid Helium. //Phys. Rev., 15, 1388 (1977).

37. P. Hickman andN. F. Lane, Phys. Rev. Lett., 26, 1216 (1971).

38. A. G. Khrapak, W. F. Schmidt and K. F. Volykhin, Structure of O^ in Dense Helium Gas. // Phys. Rev. E 51, 1852 (1995).

39. Jl. Д. Ландау, E. M. Лифиц, Квантовая механика. Нерелятивистская теория. Наука, Москва (1989).

40. А. Г. Храпак, Связь между длиной рассеяния, поляризуемостью атома и энергией связи электрона в отрицательном ионе. // Теплофизика высоких температур, 13, 858 (1975).

41. В. М. Галицкий, Е. Е. Никитин и Б. М. Смирнов, Теория столкновения атомных частиц. // Наука, (1981).

42. J. Bardeen, An Improved Calculation of the Energies of Metallic Li and Na. // J. Chem. Phys., 6, 367, (1938).

43. J. R. Broomall, W. D. Johnson and D. G. Onn, Density Dependence of the Electron Surface Barrier for Fluid 3He and 4He. // Phys. Rev. B, 14, 2819 (1976).

44. Г. Ф. Друкарев, Столкновение электронов с атомами и молекулами. // М., Наука (1978).

45. L. Bruschi, М. Santini and G. Torzo, Resonant Electron Attachment to Oxigen Molecules in Dense Helium Gas. // J. Phys. B, 17, 1137 (1984)/

46. M. J. W.Boness and G. J. Schultz, Structure O;. // Phys. Rev. A, 2, 2182 (1970).

47. Neri, A. F. Borghesani and M. Santini, Electron Attachment to 02 Molecules in Dense Helium and Argon Gases. // Phys. Rev. A, 56, 2137 (1997).

48. Plenkewicz, Y. Frongillo, P. Plenkewicz and J. P. Jay-Gerin, Density Dependence of the Conduction-band Energy and of the Effective Mass of Quasifree Excess Electrons in Fluid Neon and Helium . // Phys. Rev. B, 51, 14941 (1995).

49. T. Iakubov and V. V. Pogosov, Theoty of the Energy Spectrum of Excess Electrons in Highly Polarizable Fluids. // Phys. Rev. B, 51, 14941 (1995).

50. К. Ф. Волыхин, А. Г. Храпак, В. Ф. Шмидт, Структура и подвижность отрицательных ионов в плотных неполярных газах и жидкостях. // ЖЭТФ 108, 1642 (1995).

51. A. G. Khrapak, К. F. Volykhin and W. F. Schmidt, Structure and Mobility of Negative Ions in Dense Rare Gases in Imaging Detectors In High Energy, Astroparticle and Medical Physics. (HRSG.: Park, J.) World Scientific, Singapore 1996.

52. G. Khrapak, in Linking the Gaseous and Condensed Phases of Matter: The Behavior of Slow Electrons, ed. by L. G. Christophorou, E. Illenberger, and W. F. Schmidt, Plenum Press, New York (1994), p. 121.

53. F. Borghesani and M. Santini, in Linking the Gaseous and Condensed Phases of Matter: The Behavior of Slow Electrons, ed. by L. G. Christophorou, E. Illenberger, and W. F. Schmidt, Plenum Press, New York (1994), p. 281.

54. H. Мотт и Г. Месси, Теория атомных столкновений. // Мир (1969).

55. Plenkewicz, P. Plenkewicz and J. P. Jay-Gerin, Pseudopotential Calculations of Elastic Scattering of Electrons by Helium Atoms in the Range 0-20eV. // Can. J. Phys, 68, 104(1990).

56. Plenkewicz, P. Plenkewicz and J. P. Jay-Gerin, Pseudopotential Calculations of Elastic Scattering of Low-Energy Electrons (< 20eV) from Neon Atoms. // Can. J. Phys, 70,305 (1992).

57. Space, D. F. Coker, Z. H. Liu, B. J. Berne and J. Martina, Density Dependence of Excess Electronic Ground-State Energies in Simple Atomic Fluids. // J. Chem. Phys., 97, 2002,(1992).

58. V. M. Atrazhev and I. T. Iakubov, // J. Chem. Phys., 103, 9030, (1995).

59. R. Cantelli, I. Modena and F. P. Ricci, Mobility of Positive and Negative Charges in 3He at the Critical Point. // Phys. Rev., 171, 236 (1967).

60. F. Borghesani, D. Neri and A. Barbarotto, Mobility of 0~2 Ions in Near Critical Ar Gas. // Chem. Phys. Lett., 267, 116 (1997).

61. Jl. Д. Ландау, E. M. Лифиц, Гидродинамика. Наука, Москва (1988).

62. F. Scaramuzzi, A. Savoia, D. L. Goodstein and M. W. Cole, Viscosity and Positive-Ion Mobility Near the Melting Transition in liquid 4 He. // Phys. Rev., B, 16,3108 (1977).

63. A. G. Khrapak and K. F. Volykhin, Structure and Mobylity of Negative Ions in Simple Fluids Proc. ICDL-96, Rome, Italy, p.29 1996.

64. J. Mathews, Drag Force on a Slowly Moving Sphere in a Medium with Variable Viscosity. // Phys. Fluids, 21, 876 (1978).

65. F. Borghesani, F. Chiminelo, D. Neri and M. Santini, 02 Ion Mobility in Compressed He and Ne gas. // Int. J. Thermophys., 16, 1235 (1995).

66. J. Lekner, Motion of Electrons in Liquid Argon. // Phys. Rev., 158, 130 (1967).

67. V. M. Atrazhev, I. T. Iakubov and V. V. Pogosov, Evolution of the Ramsauer Effect on Scattering of Electrons in Liquids. // Phys. Lett., A, 204, 393 (1995).

68. I. T. Iakubov, in Linking the Gaseous and Condensed Phases of Matter: The Behavior of Slow Electrons, ed. by L. G. Christophorou, E. Illenberger, and W. F. Schmidt, Plenum Press, New York (1994), p. 319.

69. A. G. Khrapak and K. F. Volykhin, Negative ions in liquid xenon. // )K3Tc> (1999).

70. W. F. Schmidt, K. F. Volykhin, A. G. Khrapak and E. Illlenberger, Structure and Mobility Of Positive and Negative Ions in Non-Polar Liquids. Abstracts of the International Workshop on Electrohydrodynamics, Sevilia, Spain, 1998.

71. W. F. Schmidt, K. F. Volykhin, A. G. Khrapak and E. Iillenberger, Structure and Mobility Of Positive and Negative Ions in Non Polar Liquids. // The Journal of Electrostatics (1999).