N° d'ordr
Pr' nt' pa °
Maltr. Es-Sciences Sm. Il BOUGOUFF
MinÎsttrt Dilegut aux Un;vtrsitb
Université de CONSTANTINE
POUR L'OBTENTION DU GRADE DE
oct ur d'Etat El - Scierie I Physiques
R'publique Algérienne D mocratique et Populeir
ou enu le 18 J ..n i r 1990 0 nt I Com ion d' men
Me CENZAI CHER/FA PTtsidtntt
me FRANCOl E BELY - DUBAU M PAUL FAUCHER
I
MEBARKI NOUREDDINE lxa".irtattur
DAVID BROWN \
TRUONG 1nONG TUO
CAO XUAN CHUAN R.,p.,N.T
Recherches Théoriques Sur Quelques
Aspects des Collisions Inélastiques Avec Couplage a Plusieurs Niveaux
nne 1990 :
A ma mère pour son dévouement, son affection
et son sacrifices ,
A la mémoire de mon pére qu'ALLAH a rapplé "
lui dés mon très jeune Ige ,
A ma femme ,
A mes frères ,
A mon fils Zakaria ,
A mes amis les plus fidèles ,
J. dédie ce travail "
S"" il
..',
,
ý,
fBQfQS
Ce travail a été commencé à l'université de CONSTANTINE et terminé à l'université de BATNA sous la direction de Monsieur CAO XUAN CHUAN. Qu'il me soit permis de lui exprimer ma gratitude pour l'intérêt constant qu'il m' a témoigné et de dire combien sa sollicitude et son aide m'ont été précieuses tout au long de mon travail de recherches. Qu'il trouve ici
l'expresion de ma plus vive reconnaissance pour la formation
que je lui dois "
Madame le Professeur C. KENZAI a bien voulu présider le jury de cette thèse , je lui adresse mes plus vifs remerciements "
Je suis également sensible à l'honneur que me font Mme F. BELY-DUBAU , Directeur de Recherches au
Observatoire de NICE,
CNRS ,
d'examiner ce travail et de participer au jury de cette thèse Mr T. T. TUONG
OUEST
Directeur Scientifique au Health Department
l'université de Professeur à l'université Libre de Berlin Maitre de Recherches au CNRS , Observatoire
Maitre de Conference à ,
,
, ,
Mr D. BROWN WASHINGTON,
Mr P. FAUCHER de NICE,
Mr N. MEBARKI CONSTANTINE,
Je tiens à associer à mes remerciements, tous mes collégues anciens et actuels qui , à divers titres, ont contribué à la réalisation de cette thèse dans une ambiance de bonne humeur et d'amitié.
I-INTRODUCTION 3
G ENE ý A L
PLA N
MATRICES S et. R : 11
111-1 Cas sans spins 12
111-2 cas avec spi ns 16
IV-1 Echange d "élýct.rons 21
IV-2 Capt.ure d'éléct.rons 22
IV-3 Collisions de réarrangement. dans la t.héorie de la
INTýODUCTION GENERALE 1
II-TJlEORIE DE LA MATRICE R DES PROCESSUS ATOMIQUES 6 III-COLLISIONS INELASTIQUES DIRECTES ; GENERALISATION DES
IV-COLLISIONS INELASTIQUES DE REARRANGEMENT 20
ýomm: I :
.at.rice S : .7.4
ýD"IJm[ II :
1- INTRODUCTION · 26
11- COLLISIONS INELASTIQUES ELECTRON-ATOME 28
11-1 For.al iSIae général ..."..."."....""""... 28 11-2 Exe.ple : At.olae du . . . . " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " ". 3 J
, ,
11-3 Collisions elect.ron-Hydrogene .".""""."""".."."."""".. 33
1
11
du syst,ème 52
génýra) e 50
r < r 0" 53
r 0" 52
de la s o Lut.Lon ef"ecýive 55
N u me r j que s. . . . " . . . . . 56
11-3-1 Collisions in6lasýjques djrecýes de c-H 33 11-3-2 Coll jsi ons inélasýiques de réarranceillený de e-)!.
Echange d'élécýron ý(,
V-l ror.alisme V-2 Résoluýion
1 Cas r >
2 Cas 0 <
V-3 ýecherche V-4 Resulýaýs
VI-l For..al j sme Général 60
VI-2 formes approximaýives du poýenýiels d'Inýýracýion 61
VI-3 Resoluýion des équaýions radiales 64
VI-3-1 Résonance exacýe 65
VI-3-2 Résonance non exacýe 66
VI-4- Discussions 68
IV-l Enonce du ýhéorèmc 44
IV-2 Cas général 46
IV-3 Discussions 47'
V- MODELE GO£RfJ..lSE DE HUCK !JO
VI- MODELE SCHEMATIQUE DE LANE. Lin 58
III-APPýOXIHATION A DEUX NIVEAUX ý9
IV-TIIEOýEME DE SEPARATION DES EQUATIONS DIFFEýENTIELLES
COUPLEES <t <t
1-CONDITIONS INITIALES DU PýOBLEHE 11
Z-SCHEHA DE LA l'RTHODE DE NUMERIQUE ..."..."""..""".".".. 11
ýoO£ 1-
3-rROGRAI1HE EN rORTRAN 'j r' 4-COtlrARAISON ."... ; ',(if c[1ý!P 0 TITHE I I I
I-INTRODUCTION 83
II-CONDITIONS AUX LIlfiTES 64
III-APPROXIMATION A TROIS NIVEAUX 65
IV-RESONANCE ýXACTE B6
V-GENERALISATION DE LA TH[ORIE DE SEPARATION DES £QUATIONS
DI FrERENTI ELLES COUPLEES 90
VI-SYSTEME DE TROIS EQUATIONS COUPLEES 96
VII-APPLICATION A LA TRANSITION ns---+ np 99
VIII-DETýRHRNATION DE LA MATRICE DE TRANSITION 100
IX-DISCUSSIONS 105
IX-1 Cas de deux voies ·.· .106
IX-2 cas de ýrois voies 106
1-Variaýion des foncýions A,M,N,c eý d 106
Z-Effeýs des forces de couplaýe 107
3-Effeý de ýE 108
4-Comparaison avec dýauýres .éýhodes 108
5-Conclusions 110
1I1
Oi'.\IPD'D1JiR I V
32S--+ 32P ý n.JE SODDIUJ1
I-INTýODUCTION 130
II-QUELQUES TRAVAUX ýECENTS 131
III-TRAMSITION 3S--+3P DANS Na 131
111-1 Théorie 133
111-2 Modèle Schéaaýique ..."... 140 IV- RELATIONS ENTRE LES QUANTITES Bo eý S ..."."... 143 y- DISCUSSIONS ...."".."."."""""""""""""""""""""""...""".." 1.4
VI:- CONCLUSION """""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""" 147 ýQ.JSDý ý """""""""""""""""""""""""""""""""""""""""" 164
umFRlJmN(][S (BDIBLDýDIES
IV
---=---
()[N o o
I I I I I I
Il
I I
Il
I I
I I I I I I I I I I I I
---=--- I I
I
Dans la pr-at.Lque , ceci n'est. cependant. pas f'acile en raiSC'11
. /
l.nt.egru-
'"
int.egro-
d ·équat.ic,: J'-,
, '- t.heoreme
le vol ume dc-
l'eff'icacit.é du dont. l'idée direct.ricp
et
G E N r: R A L [
élast,iques
dans un cadre concret.
I N T ROD U C T ION
ýssent.iellement. dans le traitement des systèmes théorie des collisions
Récemment et. t.oujours dans le but. d' allÉ-C}er
Ce résul t.et, peut. également. êt.re élargi au cas ou le nombre d.'ý problèmes rencont.rés en t.héorie des collisions.
ýt.ý int.roduit.es [il pour ext.raire des solut.ions approchýes de cvý Pour remédier à ce t.t.e sit.uat.ions , plusieurs cont.ribuLions o nt.
La complexi t.é du problème mat.hérnat.i que rencontrée dans 1"
numýriquement. rendu possible par 1" ut.i 1isat.ion des 01 di ne t.eur-s dr-
moins rapide des solut.ions obt.enues par it.ýrat.ions .
plus en plus sophist.iquýs " sous réserve d'une convergence plus dl!
Le but. de ce t.ravail est. d'ýt.udier un cert.ain nombre de
" " ""
en ýeneral , ne peuvent. et.re abordes que num6riquemenL ou Seni]-
, '.1 , I
d i f'f er-ent.f e J les couplees ou int.egro-dif'f'erent.ielles couplees ql11
"
du nombre des cont.raint.es depassant. la capacit.ý des ordinaLeuIs usuels .
- 1 -
t.ravail numýrique des ordinat.eurs , on a démont.rý un
problèmes de la t.hýorie des collisions diffèrent.ielles couplýes [2]
équat.ions concernées excède deux [3].
, ,,, ... ,
t.heoreme propose pour t.rait.er le syst.eme d'equat.ions séparat.ion des équat.ions dif'férent.ielles couplées ou
l " "
diCCerent.illes et. diCCerent.ielles couplees.
consist.e à t.est.er ,
- 2 -
collisions e-at..ome en consideraný deux exemples comport..ant.. chacuT.
Nous prenons comme exemple d'applicaýion le problème dp lý
lE:'S
d'un
resonanc¬'s.
considýronc;;
les
mont..rerons réscd ut.a o n la
ou... nous nous
a-
et..
consacré
voies couplées sera
Enrin nous analyserons au quat..riýme chapiýre Le t..roisième chapit..re
parý.Ce problème a ét..é formulé dans l'espace a une dimension,<I=O)
Dans le cb ap Lt.r-e suivant.. nous aborderons l'applicaLion de 1,1
[6] e t, qui est.. maint..enant.. e t.endu a t.r-of s dimensions avec <1.0) [',-]
l'approximat..ion à deux niveaux
similariýýs ent..re les deux domaines complèt..ement.. difrýrent..s ýui problème plus compliqué qui St rencont..re rréquemmený dans l'ét..ud(
soný les collisions inélast..iques e-at..ome d'une part.. et.. l'éffet.. du couplaýe des ions lourds dans la ýhéorie de la fusion d'aut..re enýendrées par l'érfet.. des
des ýransit..ions dipôlaires du t..ype n,lýn,l±l et.. qui tSt.. rormuli- dans le cadre d'un syst..ême de t..rois ýquat..ions couplýes [5J
t..héorie des équat..ions dirrérent..ielles couplées aux problèmes de lM
deux équat..ions r4J
seroný presenýés dans le premier chapit..re
collision inélast..ique élect..ron-at..ome dont, les concept.s de has"
---=======-=====
- I -
IE
o ý lE (L ý SUO 0 V R S
o IF'
4)Q)IE(LýQJIES
IDlES
---=-==---===================-==============
- 3 -
mouvemenL relaLif de LranslaLion eL le mouvemenL inLerne df'ý
1- INTRODUCTION
A'+ X' A + X
il Y a ýchange direcL
A + X
" ExciLaLion des aLomes eL des molécules par un faiscpctu
parLicules enLre ces sysLèmes.
" ExciLaLion du noyau aLomique par collision nucléaire l15]
En ¬ýnýral , dans la collision enLre deux parLicules compleýr.ý
" ChangemenL d'exciLaLion enLre deux aLomes ou molýcules pn
<a) les parLicules sonL simplemenL dýviýes sans changtmenL d"
" ExciLaLion par vibraLion ou roLaLion des molécules par un
A + X
(c) Les parLicules A eL X échangenL au cours de la collision un
...
<ce changemenL peuL eLre un simple renversemenL des spins )
<diffusion inélasLique)
<b) Elles sonL déviées avec modiýicaLion de leur ýLaL quanLiqlj('
cerLain nombre de parLicules élemenLaires qui les composenL ou Dans Lous ces cas
sysLèmes enLranL en collision, sans qu'il y aiL de LransferL dp Nous pouvons ciLer quelques exemples [2] :
faisceau d'auLres molécules.
inLerne ; elles émergenL par exemple dans les éLaLs A' eL X'
d'élecLrons ..
collision [5J,[6J,l8].
leur ýLaL quanLique respecLiý (diýýusion ýlasLique)
respecLivemenL
ou non ,A eL X , nous pouvons observer Lrois aspecLs 11J:
collision par les t.ermes :
le
le Ips I n t.e r-nr- s
que dans
/et.at.s
ut.ile
sort.e des
de
celui des voies (cn
avec redist.r j b ut.u on df:-'S
dans
Pour les voies ouvert.es par exemple les part.icules B et.
----.B+Y
A + X
nous dist.inguons les deux derniers t.ypes de
"
sont. prat.iquement. separees Dorenavant.,-
Dýrinissons maint.enent. un concept.,
[91 .
* Collisions de deux molécules
/ ""
* Coll isions elect.rons-at.omes avec e-ch ang e d' elect.rons, (7], [ f; J
, , ,
plus ýeneralement., le syst.eme <A + X) se scinde en deux part.iculý·ý
posit.ivement. [3],[4].
- ... -
* Capt.ure des ýlect.rons des at.omes par des part.icules
int.ýract.ions e nt.r-e elles soient. néýligeables .l'une de ces régiorls C'est. une collision de réarrangement. . Par exemple:
nombre d'onde est. reel sinon elles sont. fermées, (c'est. a dire
/
t.rait.ement. des collisions inelast.iques, diýýérent.es de A et. X emerýent., de la collision
"
diýýerent.es ou plus
élect.rons et. des noyaux (5] , [6] , [10]
d'ent.rýe ; dans les aut.res t.ypes de collisions, la voie de sOIt.ie anýlais : channels) . On appele voie, la r'gion de l'espace de
dýrinis et.
Collisions inelast.iques/ .. direct.es " et. de "réarrangement."
"
dirfusion elast.ique , les dýux part.icules rest.ent. dans la v()ie donne les part.icules incident.es :c'est. la voie d'ent.rée . Dans une
que le nombre d'onde sera imaýinaire pur) est. différent.e de la voie d'ent.rée
confiýurat.ion dont. les part.icules sont.
±
.";
Cl-L,) (i-d>
]
r )
a , noml.rr-
" = d'ent.ree
<voie
l'exist..ence des solut.ions
±
+ l' '.:lee (e,ý).exp(±ik.ra )/1'
Cl Cl
+ -
fl.' et. fl.'
(1 (1
(a)
-+ -+
= Fý .exp(ik.r )
... Cl. 0
-+ -+
Fý.._, [ exp(ik .1' )
0. C'(
F .f ±
(e,.n).exp(±iký.rï)/r
l' 0.""'- 0,;.,'
-- l'
l' ;'--t oX'
±
A chaque ensemble (a) de condit.ions init..iales
Nous convenons de represent-er, l'ensemble des condit.ions .in i t.Le Lr-s.
ýnerýie bien dý1'inie d'où un nombre d'onde.
il 1'aut. associer à chaque voie <si I 'énerýie t.ot.a Le est- fixýe) u nr
Avant.. d'ent..amer l'ýt..ude det..aillée des deux derniers t..ypeý de Wo.- est dýrini de mýme faion avec des ondes ent-rant..es .Suivant- ceý les aut-res voies ouvert.es un comport-ement. d'onde purement- sort-anU·
Pour achever de f'ixer les condit..ions init..iales de la collisioll,
- " -
+
ý 0. est- la solut-ion st-at.ionnaire ayant. dans la voie 0 ýr
Nous admet-t.rons sans discussion ainsi 1'ixées par la let-t-re
la suit.e,
emergent-/ avec un nombre d'onde k . t,
associer une onde plane: ll11
d'onde = k 0. ) et- les particules de la voie de sort.ie (
et. deux ondes st-at.ionnaires
condit-ions on a
comport.ement- asympt-ot-ique en [expCikQ,ra) + onde sort-ant-e] et- ddflS
collisions, il est. plus commode de rappeler le concept.. de la thé-orie de la mat-rice R des processus at.omiques qui sera ut.I l e J'al'
- 6 -
en t.erme des ondes planes ou ondes coulombiennes .
Cependant, dans les applicat.ions , seulement. un nombre f Ln i dt."''';;
"
la re:çl(l!I
peu ven t. ,...et, r',_'
,; , "
1 .!ýlon e xt.er- iE:"J 1'-' la
des réact.ions nue lýa ires .
Dans
/ ,
t.heorle avec la
'" ,
Jusqu'a present la lheorie decrile est exacte et est.
Connaissant ces inrormations et la solution dans
Dans la région interne, on choisit une base qui peut-être utilisée pour dév- Lýid6ý direct.rice de cet.t.e t.hýorie est. basée sur le rait
L" int.eract.ion est. faible et dans plusieurs cas elle est ,::-'')lvahl,'
"" " "" ,
physique nucleaire a ete suýgeree par Lane et. Thomas (1958)
, , ,
La met.hode de la mat.rice R a et.e int.roduit.e par wigner ý,t
ýt par Breit. (1959), Eisenbud (1947)
l'espace de con:iýuration contenant la part.icule dirrusýe et. l·i Lýexýension et. lýapplication de ce t.t.e t.héorie aux problèmes de l,t 11- THEORIE DE LA MATRICE R DES PROCESSUS ATOMIQUES [16J:
lýint.eract.ion est de plusieurs corps , fý-te ý et. le processus dý
r est. la coordonnée relat.ive de: part.icules en collision ) cible est. divisý en deuh rýgions, Dans la r6gion interne (r < a nil
collision est. dirficile à décrire
elopper la fonctlon d'onde de collision à toute énergie et en particulier pour obtenir la dérivée logarithmique de cette fonction d'onde à la limite r=a "
ext.erne , la matrice S et les sect.ions efricaces
ýt.at.s "
la ,;
propres peut. et.re retenu dans region interne En er t''":'t.
ý
avant les annees 1960ýpar exemple en physique nuclèaire un ;:-;;,' III
, ...
d "...
et.at. est retenu ý ou la formule un seul niveau peut "ýt. l't-:
equivalente, a la solution exacte du problème de collision, calculees,
(2)
(3)
, t.
reac 10ns.
les
r 2:: a
remarquables dans
7 -
succes....
U(r)rv sin(kr) + K.cos(kr) consýruiýe eý a eu des
concernant. des résonances isolées .
de résonance et. de non résonance au dessus d' une réý ion d' éner:; i -:
U(O) = 0
prýcision lout. en permettant une économie non neýliýedble du t.empý est. considerée comme un moyen pour allé:;er le calcul des proceSSllS
problème, on considère la diffusion de l'onde s d'une parlicule mat.rice R , la collision élast.ique e-aýome. En simplifiant. le
Nous prenons comme exemple d'applicat.ion de la t.héorie de l.l Récemment lýuýilisaýion direct.e de la mét.hode de la maýrice R
ý = t.an cS
mét.hode de calcul des processus alomiques avec une grande
De plus la t.hê or-Le de la matrice R peut-êt.re ulilisée comme un ".:.'
ét.endue .
de calcul
par un pot.ent.iel cent.ral de court.e port.ée
Lýéquat.ion radiale de schrodinýer s'écrit. sous la ýorme
Nous définissons la mat.rice ý par
,
ou on suppose que Ver) = 0 pour r ý a
a:est. appelé rayon de la voie qui doit. êt.re choisie convenablemýnt
"
de sort.e que le developpement. de la mat.rice R converge .
ou cS sont. les diff'erences de phases des solut.ions de l' ýquat.i()rI (2) qui vérifient les condit.ions init.iales
;_
la (5)
(6)
(7)
(4-c) (4-a)
(4-b)
raisons
eý a
l' -
o S r S a
"
a Ver) lU)._(r) = 0
+
2 2
U.(d U)._/d r)Jdr =
k 2
x
If
Uer) = ý=1 a)._.U)._{r) +
on ýrouve
a
Io UÀ{r).UÀ,{r).dr - 6ÀÀý
les deux équaýions de l' - 0 propres définies par l'équaýion
- 8 -
La meýhode, de la maýrice R esý basée sur le développemený de lrl
inýégrons
pour ýouýes les valeurs de b .
[a/U)._{a)J.[dU)._/drJr=a - b eý à la condiýion dýorýhonormalisaýion
Arin de déýerminer les coefficienýs de développemený aÀ ' nous mult.iplions lýéquaýion (2) par U)._{r) eý l'équaýion (4) par U (l') ,
a
le premier membre de ceýt.e équaýion peut. êýre évalué en ut.ilisanL
o
donc nous écrivons:
soluýion ý ýouýe ýnerýie pour 0 S l' S a en roncýion des soluýions
sat.isfaisaný aux condi t.ions aux limites de la maýrice R.
le t.héorème de Green et. les condiýions aux limit.es vérifiées par Ce développement converýe unirormemený , excepýé a la limit.e l' - a
I
soust.ract.ion
.UA{r) .Nous ýrouvons ainsi:
(8)
sphériques
/' ...
regulieres b.sin(ka)]
en SubsLiLanL la deuxième
2
k )
en remplaýanL les foncLions sinkr eL
sin(ka) + R lka.cos(ka)
cos(ka) + R lka.sin(ka) + b.cos(ka)]
R = U(a)[a.dU/dr - bU ]-1
r =a
le. =
Ft (kr) = -fnkr?2 . Jt + (kr) "..J sin(kr - t n/2)
1/2 r ---+ 00
l
Gl(kr) = (-1) .ýnkr?2.J
l 2ý(kr) ý cos(kr - ln/2)
-( +1/ .' r---+oo
D'auLre parý . si le poýenLiel coulombien de longue porLée eSL
- 9 -
irrégulières respecLivemenL .
Il esý plus commode d'écrire la forme asympýoýique de Uer)
UCr) f"'t..I e-ikr
présenL dans la région eXLerne, alors les foncLions sinkr eL coskr
enýranýes eý sorýanLes :
donnée dans l'équaýion (3) en ýermes des ondes momený angulaire I ý 0
equivalenLes:
Alors ,en raccordaný les équaýions (6) eý (7), R relie l'ampliýude
seroný remplacées par les ýoncLions coulombiennes
Ces résulýaýs peuvenL êýre généralisés sans diýficulLé aux cas dý La maýrice K peuý êLre déLerminée
coskr dans l'équaýion (3) par les ýoncLions sphériques de Bessel équaLion de (3) dans l'équaLion (8) ,on Lrouve :
de U à sa derivée à ia limiLe par:
Si nous déýinissions la maýrice R par :
(12)
(11)
(12) (10)
propret'
par
X=1, N
X,X' = 1.N <1=-1)
SoluLions
toute énerýie nous a...
ý
(N) sonL définies
A
I 2
1)(Sl - 1J.P (cose>
N
ý, =1
ou..
10 -
=
k 2 +
o À
+
1(1/2ik) ý
00
(21 +
l =0
Q(e) =
On considère la base de développemený , les
Dans le but. de développer la soluLion
Par souci de clarLé, nous avons choisi de discuýer le cas de la
ýénéral,comporLanL ,plusieurs niveaux.
pour A - 1,N , eL par:
maLrice R peuý 3Lre ýLendue aux problêmes de la collision, f"'1 aux différences de phases 6l par:
nous notons la base par :ýA(N)
La secLion éfficace esý donnée donc par
uý définies par les équaLions (4)
ceci definiL la maLrice S qui peuL ýLre reliýe a la maýrice K et.
aucmentons notre base ýA(N) pour compléter la série .Par commodiLe I
eL on faiL l'approximaLion selon laquelle les N SoluLions proprés des équaLions différentielles d'ordre zéro:
diffusion élecýron-aýome mais bien enLendu la Lhýorje de )d
( N)
où les coefficienLs CÀX' sonL obLenus en diaýonalisaný la maLricp symét.rique