Fluorescenza IR di eccimeri Xe 2 in gas denso

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Oliviero Alfano
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1 Fluorescenza IR di eccimeri Xe 2 in gas denso A. F. Borghesani *,+ and G. Carugno + * Dipartimento di Fisica, Unità CNISM, Università di Padova + Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Padova Italia CNISMeeting, Padova, 19-20/1/2011

2 Panoramica La Fisica coinvolta Tecnica ed apparato sperimentale Risultati a bassa densità: determinazione della curva di energia potenziale di uno stato repulsivo 0 g + Risultati ad alta densità: natura dello stato di eccimero e sua interazione con l ambiente Conclusioni

3 Introduzione fisica Le proprietà del trasporto di elettroni in un gas denso non polare dipendono fortemente dall influenza che l ambiente circostante ha sull energia dello stato fondamentale degli elettroni quasi liberi. Tipicamente, si svolgono misure di mobilità. Ci sono modi alternativi per misurare l energia di un elettrone quasi libero in un gas denso? Sì: la spettroscopia infrarossa di eccimeri (dimeri eccitati) di gas nobile.

4 Luminescenza IR in Xe Xe 2 + Degrado dell energia Xe ** 2 Xe * 2 Xe + +2Xe->Xe 2+ +Xe Xe 2+ + e - ->Xe ** +Xe Xe ** +2Xe->Xe ** 2 +Xe Ricombinazione e formazione eccimeri Mulliken 1970 Xe + Xe** Xe* ( 3 P 1,2 ) e - +Xe->Xe * +e - e - +Xe->Xe + +2e - Xe 2 * ( 1,3 Σ u+ ) Emissione VUV Xe 2 ( 1 Σ g+ ) Xe Eccitazione per impatto elettronico LaserVUV lasers e rivelatori di particelle

5 Apparato Sperimentale

6 Apparato sperimentale: cannone elettronico e cella -HV (Fino a 100 kv) Camera da vuoto 10-7 mbar Anodo forato di acciaio inox Lente di focheggiamento Magnete di deflessione 50 ns Laser ad eccimeri Catodo di ottone Magnete di focalizzazione Magneti X-Y Finestra di MgF 2 Collimatore Finestra in Kapton Cella di misura Finestra di quarzo

7 Interferometria IR Step-scan Interferometro Michelson Fascio elettronico Cella gas Hz Fotodiodo QA

8 Interferogramma e Spettro Spettro di emissione eccimero Borghesani et al., J. Chem. Phys., 115, 6042 (2001), Eur. Phys. J. D 35, 299 (2005) T=300 K P=0.66 MPa risoluzione=100 cm -1 Linee atomiche di Xe I

10 Alta risoluzione e bassa pressione: riconoscimento righe Xe puro, P=0.1 MPa, T=300 K

11 Transizione molecolare di Xe 2 responsabile dello spettro

12 Simulazione dello spettro: fattori di Franck-Condon

14 Influenza dell ambiente

15 Effetto della densità Redshift del centro banda Allargamento collisionale

16 REDSHIFT dipendente dalla densità Le rette sono la previsione del modello teorico, NON un fit lineare

17 Modello teorico 1. L eccimero è pensato come uno stato di valenza dello ione Xe 2 + cui è legato un elettrone di Rydberg; 2. Interagisce con gli atomi del gas circostante; 3. I suoi livelli energetici sono influenzati da due effetti indotti dalla densità: uno classico ed uno quantistico 1. SOLVATAZIONE: molti atomi del gas sono racchiusi entro la grande orbita dell elettrone di Rydberg e schermano l interazione coulombiana interaction tra l elettrone e il nucleo ionico; 2. SCATTERING MULTIPLO: La funzione d onda dell elettrone di Rydberg è così delocalizzata che si estende su molti atomi del gas producendo uno spostamento V 0 (N) della sua energia, come predetto da Fermi (1934)

18 Immagine visuale schematica Schermo dielettrico Scattering multiplo Fotone IR Nucleo Xe + 2 Atomi di gas (Ar o Xe) Elettrone di Rydberg Xe ( 1 S 0 ) Xe eccitato

19 Predizione del modello ~ m ~ m,0 ~ m,0 2 h 0 mc a N V 0u (r) V 0g (r) hc ~ m,0 V 0 (N) 2 2 m Na K 1 N / 0

20 Allargamento collisionale La pendenza 6 volte maggiore nel gas puro rispetto alla miscela è una manifestazione di effetti quantistici nello scattering di particelle identiche 0 N v

21 Indistinguibilità di particelle identiche A bassa energia, la sezione d urto della collisione atomo-diatomo tende a quella atomo-atomo. La sezione d urto tra particelle identiche è aumentata di un fattore 4 rispetto alla collisione tra particelle differenti. Inoltre, l atomo di Xe proiettile può essere diffuso da uno qualsiasi degli atomi di Xe nella molecola. Perciò, la sezione d urto è aumentata globalmente di un fattore 8 rispetto a collisioni tra specie different. La differenza tra i raggi di sfera dura di Xe ed Ar spiegano inoltre l ulteriore fattore 1.2, spiegando il fattore 10 osservato.

Conclusioni Per la prima volta si è osservata una banda di eccimero nell IR; L analisi della forma dello spettro ha permesso una determinazione sperimentale delle curve di energia potenziale legate

22 Conclusioni Per la prima volta si è osservata una banda di eccimero nell IR; L analisi della forma dello spettro ha permesso una determinazione sperimentale delle curve di energia potenziale legate dalla transizione di eccimero; L interazione dell eccimero con l ambiente di alta densità ha dato informazioni sulla natura dello stato eccimerico; Sono previsti sviluppi per studiare altre miscele di Xe con gas nobili che mostrano differenti spostamenti alla Fermi.

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