Procesos de cambio de carga en colisiones de iones con átomos y con superficies - Montanari, Claudia Carmen (1999)
El objetivo de esta Tesis es profundizar en el estudio de los procesos fundamentales quetienen lugar en las colisiones atómicas en los cuales la carga del ion incidente se modificadebido a la interacción. Esto es los procesos de captura y pérdida electrónica. Se estudianlas propiedades y la sensibilidad de diferentes métodos pertubativos y de onda distorsionadapara describir estos procesos básicos, y se los aplica luego al estudio de estados de carga delproyectil en colisiones con superficies de materiales sólidos. El rango de velocidades con elque trabajamos es el de velocidades intermedias y altas. El desarrollo de la Tesis se puede dividir en dos partes principales. En la primer partese estudian colisiones ion-átomo, en particular procesos de captura en los cuales un ionmedianamente cargado interactúa con un blanco con un solo electrón activo. Se utilizandistintos métodos perturbativos como la aproximación de Brinkman-Kramers a primer ysegundo orden, y métodos de onda distorsionada como las aproximaciones continuum distortedwave (CDW) y eikonal impulsiva (EI). En la segunda parte se desarrolla un modelopara procesos de pérdida electrónica y se aplican los conocimientos sobre las colisiones ionátomoa las colisiones ion-superficie. En particular nos ocupamos de las variaciones delestado de carga del proyectil al colisionar en forma rasante con la superficie. Por colisiónrasante entendemos aquella en la cual los ángulos de incidencia considerados son suficientementepequeños como para que el ion no penetre en el sólido antes de ser reflejado. Enestas colisiones el tiempo de interacción entre el ion y la superficie es grande, lo cual permiteun testeo muy sensible de las distintas aproximaciones teóricas a medida que la distanciaion-superficie se modifica. Con respecto al estudio de las colisiones simples ion-átomo, se analiza la posibilidad demejorar distintos métodos de onda distorsionada, como la aproximación CDW, tomandoen cuenta la mezcla Stark de estados excitados degenerados para procesos de captura. Enparticular se estudian las colisiones de distintos proyectiles sobre átomos hidrogenoides enlas cuales el electrón pasa del estado fundamental al nivel n = 2. Desde el punto de vistafísico los mecanismos considerados son sencillos, consisten en los procesos de dos pasos 1s → 2s → 2pₒ y 1s → 2pₒ → 2s. Esta mezcla de estados con igual número cuánticomagnético se debe a la acción persistente de uno de los núcleos sobre el electrón ligadoal otro. Utilizando un formalismo perturbativo para altas velocidades encontramos que elsegundo orden en la aproximación CDW no tiene la forma rotacional de incorporación dela mezcla Stark que sí tiene la aproximación de Brinkman-Kramers. Es más. demostramosque esta corrección es despreciable en el rango de altas velocidades, y concluimos que lasamplitudes de transición en la aproximación CDW ya contienen la mezcla Stark en eserango de velocidades. Se prueban también distintos métodos teóricos para el caso de captura desde estadoscon n > 1. Con este objetivo se estudia la captura electrónica por colisiones de iones de H+, He²+ y Li³+ con H(2s) y H(2p) a velocidades moderadas y altas. Las secciones eficacesque se obtienen empleando las aproximaciones EI y CDW se comparan con resultados deotros métodos teóricos y con datos experimentales. Por otro lado, se calculan los límitesasintóticos de la primera y segunda aproximación de Brikman-Kramers, y se comprueba queel mecanismo de Thomas (doble colisión) es importante en el límite superior del rango develocidades considerado. Se prueba una regla de escala para las secciones eficaces de capturadesde n > 1, la cual nos permite reunir valores correspondientes a distintos proyectiles enuna banda universal. Estudiamos, además, la propensión de los electrones a poblar ciertos subestados magnéticosen procesos de captura electrónica a energías intermedias y altas. La. importancia de lamisma reside en la simplificación del número de cálculos necesarios para tratar procesosde captura a niveles excitados, permitiendo estimar los subestados que más contribuyena la sección eficaz. Por ejemplo, en colisiones ion-sólido múltiples eventos pueden llevar apoblar estados con momento angular grande. Para velocidades moderadas. del orden dela velocidad del electrón en el blanco, existe una regla de propensión que dice que si eleje de cuantificación se toma en forma perpendicular al plano de colisión. los subestadosfinales con número cuántico magnético m = —l son los más poblados. Esto se explica.desde el punto de vista clásico, notando que un electrón con m = —l sigue la rotación deleje internuclear permaneciendo principalmente en el plano de colisión, de manera que lacaptura electrónica resulta más probable a estos estados. La validez de esta tendencia en elrango de altas velocidades no es previsible, ya que la explicación de la misma está dada entérminos de la física clásica. Sin embargo en esta Tesis probamos que la regla de propensiónmencionada es válida también para velocidades intermedias y altas. Para describir los procesos de pérdida electrónica (o ionización del proyectil), se presentaun modelo basado en la primera aproximación de Born, corregida según el método teóricode Kaneko. El modelo propuesto es puesto a prueba con buen resultado comparandolocon datos de otros modelos más complejos, como el de expansión multipolar definida enun centro para velocidades altas y el de Classical Trayectory Monte Carlo para velocidadesintermedias. En la segunda parte de esta Tesis se aplican los conocimientos sobre las colisiones ionátomoa las colisiones rasantes ion-superficie. Abordamos el tema utilizando un formalismoque consiste en extender la teoría de colisiones atómicas a procesos que involucran sólidosen lugar de átomos. En particular calculamos los estados de carga del ion a lo largo de sutrayectoria frente a la superficie. considerando velocidades de impacto intermedias y altas. Los procesos colisionales por los cuales el proyectil modifica su estado de carga son los decaptura y pérdida de electrones, estudiados en la primer parte de esta Tesis. El procedimiento usual para tratar el problema de las variaciones del estado de cargadel proyectil al colisionar con una superficie a grandes velocidades, consiste en obtenerel estado de carga saliente como consecuencia del juego entre dos procesos colisionalesdistintos. Captura de electrones que pasan de estar originalmente en estados ligados (lelos átomos de la superficie a estados ligados del proyectil, y pérdida de electrones que sonionizados desde estados ligados del proyectil debido a la interacción con los átomos de lasuperficie. Nosotros seguimos aquí este mismo procedimiento. Generalmente se espera queal ir aumentando el ángulo de incidencia del ion sobre la superficie (pero sin penetrar enla misma) su estado de carga tienda al de iones en sólidos, y luego se aleje de la superficiecon este estado de carga. Sin embargo mostramos que, a grandes velocidades, ésto no escierto. El estado de carga llega a un valor de equilibrio cuando se encuentra muy cerca dela superficie, y a otro cuando se aleja de la misma. La diferencia entre estos dos valoresse debe a los distintos rangos de captura y pérdida de electrones a altas velocidades. Muycerca de la capa externa de átomos de la superficie ambos mecanismos están presentes,pero a partir de cierta distancia la captura es despreciable y sólo sobrevive la pérdida deelectrones, continuando la ionización del proyectil. Por esta razón el estado de carga con elcual el proyectil emerge de la superficie es mayor que el que tenía en las proximidades de lamisma, y este efecto es más evidente a medida que las velocidades de impacto aumentan.