HAL Id: jpa-00210199
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Submitted on 1 Jan 1986
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Description des collisions électroniques triplement différentielles à faible transfert d’impulsion
C. Dal Cappello, C. Tavard, A. Duguet
To cite this version:
C. Dal Cappello, C. Tavard, A. Duguet. Description des collisions électroniques triplement différentielles à faible transfert d’impulsion. Journal de Physique, 1986, 47 (2), pp.229-234.
�10.1051/jphys:01986004702022900�. �jpa-00210199�
Description des collisions électroniques triplement différentielles à faible transfert d’impulsion
C. Dal
Cappello,
C. TavardC.M.S.R., Faculté des Sciences, Université de Metz, Ile du Saulcy, 57045 Metz Cedex 1, France et A.
Duguet
L.C.A.M., Bât. 351, Université de Paris-Sud, 91405 Orsay Cedex, France (Reçu le 10 juillet 1985, révisé le 25 septembre, accepté le 3 octobre 1985)
Résumé. 2014 Les modèles quantiques simples décrivant les sections efficaces triplement différentielles de collisions (e, 2e) apparaissent grossièrement faux lorsqu’on s’écarte des conditions impulsionnelles de choc. Le traitement
particulier de perturbation proposé dans cet article reproduit au second ordre la trajectoire coulombienne d’éjec-
tion d’un électron atomique, comme le montre une étude détaillée du cas de l’atome d’hydrogène. Ce traitement fournit actuellement la seule interprétation simple, en régime asymétrique de collision, des résultats expérimentaux
récents dont ceux relatifs à l’atome d’hélium qui serviront également de support à la discussion.
Abstract. 2014 Simple quantum-mechanical models are found to be in strong disagreement with all (e, 2e) triply-
differential cross sections measurements out of the strict impulse collisional conditions. The second order pertur- bation method proposed in this article is found to reproduce the Coulomb-wave behaviour of the electron ejected
from a hydrogen target under (e, 2 e) asymmetric conditions. As illustrated by the discussion of the helium atom
results, this method provides the unique ab initio treatment presently known to describe (e, 2 e) measurements
performed upon non-hydrogenic targets and at small momentum transfers.
Classification Physics Abstract
34.50H - 34 . 80D
1. Introduction.
Transposées
destechniques
dephysique
nucl6aireet en constant
d6veloppement depuis
1969[1, 2],
les collisions dites (e, 2e) d6finissent les processus ionisants
produits
parl’impact
d’un electron sur une cible, enphase
gazeuse ou solide, d’ouemergent
deuxelectrons que l’on d6tecte
angulairement
et en6nergie
par un
dispositif
de coincidences. Cette detection s’effectue sous des conditionscinématiques
vari6es (Fig.1), principalement r6pertori6es
en situationssym6trique
etasym6trique.
Dans les
experiences (e,
2e)sym6triques [2
a 5]oii kd = ke
etod
=0e’
les deuxparticules
de la voiede sortie
p6n6trent
simultanément dans les détecteurs.A la
simplicite expérimentale
de leur detection encoincidences
correspondent
des difficultes liees a uneprise
en compte correcte des effetsd’échange
quan-tique [6].
Au contraire, pour les situations tr6sdissy- m6triques d’6mergence
[7, 8]qui
serontuniquement
retenues dans la suite de cet article, l’effet
d’6change
peut etre d6montr6négligeable
et les deux electrons consid6r6s respectivement comme diffuse et6ject6.
Les
param6tres ajustables importants
de cesexp6-
riences sont alors respectivement
(Fig. 1)
le transfertFig. 1. - Representation sch6matique d’une collision
(e, 2e).
[Schematic
representation of a (e, 2 e) collision.]d’impulsion
k =ki - kd
et la perted’6nergie
AE,6crite ici en unites
atomiques
De telles
experiences, qui
conduisent a la determina- tion de sections efficacestriplement
diff6rentielles,ont des
objectifs
varies dont celui de 1’etude des mécanismes r6actionnels du choc.Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphys:01986004702022900
230
Les conditions
cinématiques
ditesimpulsionnelles [9],
danslesquelles
AE estapproximativement
6tabliea des valeurs voisines de
kl/2,
maissup6rieures
à1’energie
d’ionisationIi
de la sous-couche d’ou est extrait 1’61ectron6ject6,
sont par ailleurs particuli6re-ment
appropri6es
a 1’6tude des structures électroni- ques des cibles[10, 11].
En effet et sous les conditions de validite de lapremiere approximation
de Bom, lesmesures r6alis6es avec des electrons incidents
rapides s’interpr6tent [9]
en termes d’unesimple proportion-
nalit6 a la densite
électronique d’impulsions pi(p) = Pi(ke -
k) de la sous-coucheparticuli6re
ayant subi l’ionisation.L’ensemble des r6sultats obtenus sur le spectro- m6tre
(e,
2e)d’Orsay
permet actuellement unelarge
confrontation entre theories et
experiences,
avecl’int6r8t
particulier
depouvoir disposer
de mesuresnormalis6es a 1’aide des
r6gles
de somme de Bethe[10].
Le choix de conditions
cin6matiques appropriées
permet de verifier la validite d’un mod6leimpulsionnel.
La realisation de conditions differentes conduit A des situations actuellement mal
comprises,
et pour les-quelles 1’approximation
del’impulsion
n’aplus
aucunesignification.
Un traitement deperturbation
a 6t6développé
pour décrire ces situations nonimpulsion-
nelles,qui pr6sentent
un int6ret toutparticulier
notamment a faible transfert
d’impulsion.
2. Modèles en collisions (e, 2 e)
asymétriques.
Pour
comprendre
etexpliquer l’origine
des d6saccords entre1’experience
et le mod6leimpulsionnel,
il estn6cessaire de
rappeler quelques
formules essentielles de th6orie des collisions, restreintes ici au cas de chocsasym6triques.
Les conditions lesplus
favorables de coincidencecorrespondent
alorstypiquement
aOd
1 D° et
0.
voisin de 90°.En fixant
1’6nergie
des electrons incident et diffus6 à des valeurs suffisamment élevées parrapport i Ii,
les conditions de validity de la
premi6re approxima-
tion de Born
apparaissent remplies
et la formulationde la section efficace
triplement
diff6rentielle se r6duitaux
expressions simples
suivantesou
Oi et of d6signent respectivement
les 6tats initial et final de la cible et V1’6nergie potentielle
d’inter-action entre 1’electron incident et cette cible, dont
1’expression
doit etreexplicit6e
en unitésatomiques puis
transformée à 1’aidc de la formule de Bethe[12].
Les sommes portent sur les N electrons de la cible.
Les
d6veloppements
que nous allons en proposerpourraient
8treg6n6ralis6s
aux collisions r6alis6es aplus
basse6nergie
incidente,impliquant
laprise
en compte des effets lies a la seconde
approximation
de Born.
Les difficult6s de calcul des
expressions (2)
et(3) proviennent
notamment de ladescription
de 1’6tatfinal of
du continuum de la cible, danslequel
doit semanifester la situation
asymptotique d’6jection
d’unelectron sous forme d’une onde
plane
dont le vecteurd’onde est associ6 a
1’impulsion k,,.
Ces difficult6sseront 6vit6es, au niveau de la formulation d’une section efficace doublement diff6rentielle de diffusion
ad ,
par1’emploi
de la relation de fermeture relativeaux
of.
En effet et par
integration
sur 1’ensemble desangles d’6jection,
a(3) doit permettre dereproduire 1’expres-
sion de cette section efficace de diffusion
[12], qui
s’6crit ainsi formellement
ou K
repr6sente
1’hamiltonien de la cible, tel queK I oi >
=Ei [ §;
>. Cetteexpression g6n6rale prend
uneforme encore
plus simple
dans le casparticulièrement
int6ressant d’une cibled’hydrog6ne atomique
(pourlequel
des r6sultatsexp6rimentaux
devraient tresprochainement
etreproduits),
se r6duisant àUne
representation
temporelle de lacinématique
du choc permet enfin, par transformation de Fourier de la fonctionavec P
= a +k’/2
=kd/2
+Ii
+k:/2 - k2/2, d’expliciter
und6velOppement
deTaylor
pour laperturbation
X = K -
kf/2, soit
La section efficace diff6rentielle de diffusion
(5)
devient alorsexpressions
ou interviennent la relation de fermeture des ondesplanes
et la transform6e de Fourier Xde 0 (et qui
conduit a la densit66lectronique d’impul-
sions
p(P) = I X(p) I’
dans la cible, avec p =ke - k).
Le
premier
terme dudéveloppement (8) correspond
tres exactement au r6sultat du module dit
impul-
sionnel
[9],
construit sur les conditions de conser-vation
d’énergie
etd’impulsion
au cours du chocet que l’on
interpr6te
au niveau des coincidences en6crivant
Dans le cas d’une cible constituee d’atomes
d’hydro- g6ne
et en l’attente de r6sultatsexp6riinentaux,
uncalcul exact des
expressions (2)
et(3)
estpossible.
Il conduit essentiellement a
remplacer
dans les calculsimpulsionnels
1’ondeplane exp(lke r)
d6crivant 1’61ec-tron
ejecte
par une onde coulombienne, telle queou r et
iFl repr6sentent respectivement
les fonctions gamma ethyperg6om6trique
confluente usuelles[13].
La confrontation de ces deux mod6les permet de conclure a la validit6 de
1’approximation impul-
sionnelle lorsque les conditions k
= ke
etke21/2
> 3Ii
sont
approximativement
satisfaites[14].
Avant de
poursuivre
1’examen des contributions provenant des termes suivants dudéveloppement,
il convient de revenir aux
expressions
initiales, etnotamment a
1’equation (3)
danslaquelle V
contienta la fois les interactions de l’électron incident avec les electrons-cible et avec les noyaux. Cette derniere contribution ne peut se manifester en
premiere approximation
de Bornqu’au
niveau de la diffusion61astique,
compte tenu del’orthogonalité de of
etOi.
Alors que le traitement
propose
substitue a la basedes
q6f
celles des ondesplanes exp(lke r),
alors nonorthogonales
aoi,
il convient de conserver cettecontribution nucl6aire
(que
nous noterons correctiond’ordre
zero)
afin depouvoir
décrire correctement, A faible transfertd’impulsions,
le comportementdipolaire
de la diffusion.Le
premier
terme correctif n6cessite, enplace
de
x;(p),
le calcul deL’int6gration
restante sur t peut s’effectuer en faisant intervenir une derivation en y =k’/2, puis
une int6-232
gration
parparties
en y, cequi
conduit a restituer a cet ordreI’argument
correctde la fonction 6, lie au comportement
asymptotique
des
particules.
Uneprocedure
similaire est mise enoeuvre pour le calcul de la correction de second ordre.
On remarquera toutefois que ce calcul pourra s’effec- tuer, soit par
application
directe del’op6rateur X 2,
dans un calcul
analogue
a celui de1’expression (12),
soit par
découplage
de X 2 en X . X . Dans ce dernier cas, 1’6valuation defait
appel
aux r6sultats des calculs ant6rieurs relatifsaux corrections d’ordre un. Les evaluations nume-
riques qui
ont 6t6 r6alis6es montrent que cette secondeprocédure,
relativementsimple
a mettre en oeuvre,apparait
suffisante etqu’une prise
en compte selon lam6thodologie quantique
dupoids statistique
dechacune de ces deux
possibilites
de calculn’apparait
finalement pas n6cessaire.
3. R6sultats et discussion.
Les
figures
2 et 3 permettent de suivre le comporte-ment de la section efficace
triplement
diff6rentielle pour une cibled’hydrogène atomique,
sous desconditions
cin6matiques expérimentalement
r6ali-sables et
proches
de celles actuellement utilis6es pour I’h6lium. Elles d6criventpratiquement,
pourl’angle d’éjection
choisi, la cr8te de la surface de Bethe- Ehrhardt(ou
encore les maxima de la section effi-Fig. 2. - Section efficace triplement différentielle de colli- sion 6lectron-hydrog6ne atomique, en fonction de Bd
(k2/2
= 8 113,6 eV,ka/2
= 8 000 eV,ke2/2
= 100 eV, 0. = 820). - onde Coulombienne; -- approximation im- pulsionnelle ; corrections successives : .... ordre (0) ;--- ordre (1) ;’-’- ordre (2).
[Triply-differential cross sections of electron-hydrogen atom
as a function Of Od
(k2/2
= 8 113.6 eV,kd2/2
= 8 000 eV,ke2/2
= 100 eV, 6e = 82°). 20132013 Coulomb wave; -- impulseapproximation;
successive corrections : ....order (0) ; --- order (1) ; -.- order
(2).]
Fig. 3. - Section efficace triplement différentielle de colli- sion électron-hydrogène atomique, en fonction de Od
(k2/2
= 8 059,6 eV,kJ/2
= 8 000eV, k;
= 46 eV, Oe =820). Les conventions sont identiques a celles de la figure 2.
[Triply-diff’erential cross sections of electron-hydrogen
atom as function of Od
(k2/2
= 8 059.6 eV,k 2/2
= 8 000 eV,k.2/2
= 46 eV, 0, = 82°). The conventions are the same asthose of the figure
2.]
cace) en fonction de
1’angle
de diffusion et correlati- vement du transfertd’impulsion.
Les corrections d’ordre zero, un et deux, successive- ment
ajoutées
au mod6leimpulsionnel
conduisentainsi
progressivement
areproduire
le comportementen onde coulombienne de 1’electron
6ject6
a toutesvaleurs de k. L’accord reste encore tr6s bon pour des valeurs relativement faibles de
1’energie
de 1’elec- tron6ject6 (Fig. 3).
Le calcul des termes correctifs d’ordre trois et quatre, assezcomplexe
etqui
n’am6-liore les
precedents
r6sultats que de fagon faiblementsignificative,
aégalement
6t6 effectue a des fins d’6tudessur la convergence du
développement propose.
D’autres formes de
d6veloppement
ont par ailleurs 6t6 examinées,qui
conduisent A une convergence moinsrapide
des calculs pour les. situationsasym6- triques
ici étudiées.Pour le cas de l’hélium, un traitement similaire peut etre
d6velopp6. L’hypoth6se
de choc binaire a 6t6adoptee
a des fins desimplification, qui
ram6ne lesdéveloppements
a desimples manipulations d’op6-
rateurs
monoéleetroniques.
Les calculs deviennent ainsianalogues A
ceux relatifs aux cibleshydrog6-
noides, et sed6veloppent A partir
de la formeexplicite
de
l’opérateur
deperturbation
X,qu’il
convientd’écrire alors
Les
figures
4 et 5représentent
pour 1’helium unensemble de r6sultats
correspondant
aux conditionsdes
figures
2 et 3,compl6t6es
par les valeursexp6ri-
mentales normalis6es
[7, 10].
La fonction d’onde utilis6e pourrepr6senter
1’6tat fondamentalcPi
del’hélium est ici celle de Clementi
[15].
Lespr6c6dentes
conclusions relatives a la convergence du
d6veloppe-
Fig. 4. - Section efficace triplement dinerentielle pour I’h6lium en fonction de Od
(k2/2
= 8 124,6 eV, ki/2 =8 000 eV,
ke/2
= 100 eV, 0. = 820). - onde Coulom- bienne (Z * = 1); - - approximation impulsionnelle;corrections successives : .... ordre (0) ; --- ordre (1) ;
20132013 ordre (2) ; I r6sultats expérimentaux [7, 10].
[Triply-differential cross sections for helium as a function
of Od
(kF/2
= 8 124.6 eV,kd2/2
= 8000 eV,ke2/2
= 100 eV, (Je = 82). - Coulomb wave (Z* = 1); -- impulse approximation; successive corrections : .... order (0) ;--- order (1); -.- order (2); I experimental results [7, 10].]
Fig. 5. - Section efficace triplement diff6rentielle pour 1’helium en fonction de Od
(k2/2
= 8 070,6 eV,kd/2
=8 000 eV,
k: /2
= 46 eV, 0. = 820). Les conventions sontidentiques a celles de la figure 4.
[Triply-differential cross sections for helium as a function
Of Od
(kr/2
= 8 070.6 eV,kd/2
= 8 000 eV,k:/2
= 46 eV, 0. = 820). The conventions are the same as those for figure4.]
ment
propose
restent6galement
valables. Le calcul faisant intervenir unedescription
de latrajectoire d’6jection
sous forme d’une onde coulombienne nepeut
plus
servir directement de reference aux mod6les,car il
implique
le choix d’unecharge
nucl6aire effec- tive Z*(dont
le meilleur choix semble 8tre ici6gal
à1’unite pour s’accorder aux r6sultats
exp6riinentaux).
Les
figures
6 rapportent enfin, en coordonn6esFig. 6. - Diagramme polaire de la section efficace triple-
ment différentielle pour I’hydrog6ne en fonction de 0.
(kf/2
= 8113,b eV,k’/2
= 8 000 eV,k’/2
= 100 eV).Figure 6a : 0 d = 7.5°; Figure 6b : 0 d = 5°. Les conventions sont identiques a celles de la figure 4.
[Polar
diagram of triply-differential cross sections for hydro-gen as a function of 0.
(kf/2
= 8 113.6 eV,kd/2
= 8 000 eV,ke2/2
= 100 eV). Figure 6a : 0d = 7.5°; Figure 6b : 0d = 50.The conventions are the same as those for figure
4.]
polaires (representation d’Ehrhardt)
les details de comportement des corrections successives pour des situationscin6matiquement oppos6es
par referenceaux conditions
impulsionnelles,
et dont on pourra situer les maxima sur lafigure
2.4. Conclusion.
Le traitement
particulier
deperturbation
succinte-ment
d6velopp6
dans cet article permet ainsi, dumoins pour les deux cas 6tudi6s de
I’hydrog6ne
et de234
1’helium, de
reproduire
le comportement coulom- bien de latrajectoire d’6jection
et finalement de d6crire le processus d’ionisation en situationasym6- trique
de choc, telqu’il
peut 8tre étudié a 1’aide duspectromètre 6lectronique
a coincidencesd’Orsay.
Il serait
applicable
sans difficult6sparticuli6res
autresque celles d’une
complexit6
desexpressions analyti-
ques, a des situations de
plus
basse6nergie
incidentenotamment
d6velopp6es
a l’Universit6 de Brest[16]
et
qui
n6cessitentd6ji
laprise
en compte de la secondeapproximation
de Born[17, 18].
Les
premi6res
tentatives d’utilisation de ce traite- ment aplus
basse6nergie
fontapparaitre
des correc-tions
quantitativement
correctes. Toutefois elles seheurtent actuellement a la difficult6 d’une
repr6senta-
tion correcte de la perte de
sym6trie [19]
constat6e surles mesures de sections efficaces
triplement
diff6ren-tielles autour de la direction du transfert
d’impulsion
et dont 1’effet est
particulièrement
sensible sur le lobede recul
(diffusion
dans la directionoppos6e ! k).
Enfin, la
rapidite
de convergence dudéveloppement propose
ne semble paspouvoir
lui permettre d’inter-pr6ter
correctement les chocs auvoisinage
des condi-tions de seuil
[20].
Actuellement, le traitement
propose
constitue la seuleapproche
existante, a haute6nergie
incidente, permettant un calcul ab initio des sections efficaces de collisions (e, 2e), dans la mesure ou les calculs de type onde coulombienneimpliquent
une selectionrelativement arbitraire, et variable avec k, des valeurs
de
paramètres
d’6cran. Desapplications
sont encours pour le n6on,
I’argon
et Iekrypton.
Remerciements.
Les auteurs remercient les Drs Azzedine Lahmam- Bennani
(Orsay)
et Richard Tweed(Brest)
pour leurs commentaires portant sur le manuscrit, ainsi que MM. Senot et Stockemer pour leurparticipation
a sa realisation. Par ailleurs, ce travail s’inscrit dans le cadre des activit6s de la R.C.P. no 784 du C.N.R.S.
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