Colisiones de iones con sólidos - Arbó, Diego Gabriel (2001)
El objetivo de este trabajo de tesis ha sido investigar algunos aspectos de lainteracción de iones con sólidos. Para ello hemos analizado los formalismos colisionaly dieléctrico para calcular la fuerza de frenamiento de un proyectil que viajadentro de un sólido. Además hemos indagado sobre el problema de transportede iones, haciendo hincapié en el estado electrónico de los mismos. El rango develocidades con el que hemos trabajado es el de velocidades medias y altas. El desarrollo de la tesis se puede dividir en tres partes principales. En laprimera parte se ha estudiado la fuerza de frenamiento de un ion pesado con carga Zp que viaja dentro de un sólido en la primera aproximación de Born. Dentro delformalismo colisional binario (BCF), hemos usado el potencial inducido por ionespesados en un gas de electrones libres (FEG) como el potencial de interacción. Presentamos resultados detallados de la fuerza de frenamiento (stopping power),distribuciones de pérdida de energía, libre camino medio y distribuciones angulareselectrónicas de H+, H0, y H-, a través de blancos de Al y Ag. Hemos comparadolos resultados con aquellos obtenidos con el potencial central de Yukawa y elformalismo dieléctrico (DF). Hemos establecido una relación entre los formalismosdieléctrico y colisional binario. Se ha encontrado que el BCF es muy sensible ala función dieléctrica usada en el potencial inducido. También se ha examinadoel frenamiento de los proyectiles vestidos y se ha comparado sus distribuciones depérdida de energía. De acuerdo con lo esperado, a velocidades de impacto altasel formalismo binario provee sólo el término colisional, no teniendo en cuenta laexcitación del modo colectivo. En la segunda parte de esta tesis se ha ido más allá de la primera aproximaciónde Born incorporando la contribución que viene de la segunda aproximación de Born. Se ha estudiado la pérdida de energía de un proyectil ‘desnudo’ y pesadocon carga Zp que se mueve en un gas de electrones libres. Dentro del marco delformalismo colisional binario (BCF), se ha desarrollado el elemento de matriz detransición (al cuadrado) en una serie perturbativa, conservando términos hasta Z(3p), (segunda aproximación de Born). Se emplea la función respuesta dieléctricade Mermin-Lindhard para describir el potencial cilíndrico inducido por el proyectil. Se ha aplicado el formalismo al cálculo de las distribuciones de perdida deenergía para cargas fijas (protones, hidrógeno neutro y antiprotones) chocandocon aluminio. También hemos investigado cómo la corrección colisional Z(3p), afectael frenamiento total para antiprotones en Aluminio y Silicio, y para hidrógeno en Aluminio. En este último caso se han considerado los diferentes estados de cargadel proyectil. Los resultados tienen un buen acuerdo con los datos experimentalesen la región de alta energía. También se ha investigado la energía perdida dentro del marco del formalismodieléctrico (DF). En este modelo, se ha desarrollado el potencial inducido por elproyectil en una serie perturbativa, y se han conservado los términos hasta segundoorden en Zp. El potencial cuadrático obtenido se ha expresado en función dela respuesta dieléctrica a primer orden o función dieléctrica de Lindhard. Hemosaplicado el formalismo al cálculo del frenamiento de diferentes cargas determinadas (protones, hidrógeno neutro y antiprotones) moviéndose en Aluminio. Se hainvestigado las distribuciones de pérdida de energía, y en el caso de antiprotones seha modificado el término de segundo orden para evitar probabilidades negativas. Se ha comparado la fuerza de frenamiento total, calculada teniendo en cuenta lacontribución de las capas internas y los diferentes estados de carga en el equilibrio,con datos experimentales. Se ha estudiado también la densidad electrónicainducida, y los resultados guardan un buen acuerdo con aquellos calculados conla teoría de la funcional densidad (DFT). En la tercera parte centramos nuestra atención en el estado electrónico del proyectil,y cómo el proceso de transporte influye sobre el mismo. Presentamos unadescripción cuántica para la evolución de estados atómicos de proyectiles viajandoa través de la materia. Nuestra aproximación se basa en la solución de la ecuacióncuántica de Langevin -una ecuación de Schródinger estocástica dependiente deltiempo- que describe las excitaciones electrónicas de los átomos durante su transportea través de los sólidos. Se puede considerar nuestra descripción presentecomo la versión cuantizada de una teoría de transporte clásica. Hemos presentadoaplicaciones a la pérdida de electrones (shipping) de H- y H relativistas, y a ladinámica de la población de los subestados electrónicos de Ar17+ con 13.6 MeV/ ua causa de la transmisión a través de láminas de carbono. Hemos analizado lacorrespondencia entre las simulaciones de transporte cuántico y clásico y hemosmostrado que la naturaleza estocástica de la interacción destruye la mayoría delos efectos cuánticos.