Etude quantitative des transferts : énergie de vibration-énergie de translation lors d'une interaction Ne* (3P0-3P 2)-CO2

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Submitted on 1 Jan 1989

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Etude quantitative des transferts : énergie de

vibration-énergie de translation lors d’une interaction Ne* (3P0-3P 2)-CO2

A. Le Nadan, G. Le Coz, F. Tuffin

To cite this version:

A. Le Nadan, G. Le Coz, F. Tuffin. Etude quantitative des transferts : énergie de vibration-énergie de

translation lors d’une interaction Ne* (3P0-3P 2)-CO2. Journal de Physique, 1989, 50 (14), pp.1777-

1785. �10.1051/jphys:0198900500140177700�. �jpa-00211030�

1777

LE JOURNAL DE PHYSIQUE

Brève Communication

Etude quantitative ^des transferts : énergie ^de vibration-énergie ^de translation lors d’une interaction Ne* (3P0-3P2)-CO2

A. Le Nadan, ^{G. Le Coz et F. Tuffin}

Laboratoire des Collisions atomiques ^et électroniques, Faculté des Sciences et Techniques ^de Brest,

6 Avenue Le Gorgeu, 29287 Brest Cedex, ^France

(Reçu le 22 décembre 1988, révisé le 18 avril 1989, accepté ^{le 24 mai} 1989)

Résumé. - Dans ce travail, ^{nous étudions la} distribution

énergie ^{des ions} CO+2 ^{créés lors d’une in-}

teraction Ne* (3P0,3 P2) - ^{CO2. Nous} développons ^une procédure théorique permettant ^{de démon-}

trer l’existence de transferts d’énergie de vibration en énergie de translation et de réaliser une étude

quantitative ^{de ces} transferts.

Abstract.

The energy distributions of CO+2 ions formed in the interaction Ne* (3P0,3 P2) - ^CO2

are investigated experimentally. ^A theoretical model for the process ^is developed. This allows us to demonstrate the existence of transfers of vibrational energy into translational kinetic energy ^{and to} evaluate the magnitudes ^{of these transfers.}

J. Phys. ^{France 50} (1989) ^1777-1785 15 JUILLET 1989,

Classification

Physics ^Abstracts

34.50H

1. Introduction.

De récentes études réalisées au laboratoire [1] ^{ont montré} que l’ionisation d’une cible de gaz

carbonique par ^un faisceau d’hélium ou de néon métastable s’explique par ^{un mécanisme en 2}

étapes que ^l’on peut schématiser dans le cas de l’hélium sous la forme :

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphys:0198900500140177700

1778

et dans le cas du néon par ^les réactions :

Dans ces expressions, ^{i et v} représentent ^l’état électronique ^et vibrationnel de l’ion formé dans le complexe intermédiaire, ^et v’ l’état vibrationnel de l’ion CO+ ^détecté expérimentalement.

Le dispositif expérimental qui ^{utilise une} technique de faisceaux croisés a fait l’objet ^de plusieurs descriptions détaillées [2, 3]. L’énergie ^{des ions formés au cours des} étapes (b) ^et (d)

est mesurée par ^{une méthode de} potentiel retardé. La région ^{de collision est} constituée par ^un volume équipotentiel, ^{de manière} à éliminer tout champ électrique parasite qui fausserait la dis- tribution observée.

Dans cet article, l’existence de transferts d’énergie vibrationnelle en énergie ^de translation

a été justifiée par ^{le fait} que ^{les ions} fragments créés dans l’étape (b) ^{ont une} énergie cinétique

maximale supérieure à celle des ions Cût. ^{Par ailleurs, les ions} CO+ ^{créés dans} l’étape (d) ^sont plus énergétiques que ^{les ions} parents ^{formés dans} l’étape (b), la différence observée ne pouvant s’expliquer par ^{le seul fait} que l’hélium, plus léger que ^le néon, acquiert ^une énergie cinétique supérieure ^{à ce} dernier lors de la dissociation des complexes ^{formés en} (a) ^et (c).

L’analyse ^en énergie ^{des électrons} éjectés ^{au cours de la} demi-collision (c) ^a montré d’autre

part que ^l’ion CO+ ^{est créé dans son} état fondamental X2IIg, vibrationnellement excité. Cermak

[4] ^{a montré} que ^{les modes} 000, 100, 200, 300, ^ainsi _que 102, ^{202 et 302 sont} significativement

excités. Dans ce cas, ^{on ne} peut ^donc invoquer que ^des transferts non radiatifs entre niveaux vi- brationnels de l’état X2II g pour expliquer ^les caractéristiques énergétiques ^{des ions} eût ^détectés.

Ce travail propose ^{une nouvelle} approche expérimentale qui ^{consiste à raisonner sur la forme}

des distributions en énergie ^{des ions} CO+ pour justifier ^et quantifier les transferts d’énergie ^évo- qués.

Pour cela, ^nous comparons la courbe de distribution en énergie ^{des ions Ar+ formés} par

impact ^de néon métastable sur une cible ₂ d’argon à celle obtenue pour ^{les ions} C02 ^{formés dans}

l’étape (d). ^{Nous montrons} que ^dans le _premier cas, les résultats expérimentaux peuvent ^être ajustés ^{à une} loi de Maxwell unique, ^alors que ^{dans le second cas,} l’ajustement ^nécessite l’utilisation de 4 distributions.

2. ’ Justifications théoriques.

2.1 RÉACTIONS SANS TRANSFERT D’ÉNERGIE DE VIBRATION EN ÉNERGIE DE TRANSLATION.- Nous

utilisons le modèle théorique développé par ^Cermak [5], Hotop ^{et Niehaus} [6], ^Miller [7] pour

étudier l’interaction :

entre un métastable X* et une cible Y dans le référentiel du centre de masse. Sur la figure ^1, V*(R) représente l’énergie potentielle d’interaction entre les particules ^{X* et Y, Et} (oo) l’énergie cinétique relative à grande distance internucléaire R et El l’énergie totale dans la voie d’entrée.

Si le processus conduisant à l’ion Y+ s’effectue pour ^R

R1, ^on obtient dans la voie finale

une énergie cinétique ^relative E. (Rl, R1 ) égale ^à Ec (tri ) (dans le cadre de l’approximation ^de Born-Oppenheimer), ^{et une} énergie ^totale égale ^à E2 ; V+(R) représente l’énergie potentielle

d’interaction entre les particules ^{Y+ et X.}

Fig. ^1.- Diagramme ^en énergie pour ^les systèmes ^{X* + Y et X + Y+ en} fonction de la distance internucléaire R.

[Schematic potentiel ^{curves for the} systems X* ^{+ Y and X +} Y+ ^{as a} function of the interatomic distance

R.]

On peut ^{écrire entre les} quantités

relation :

soit ^{encore :}

1780

Dans ces expressions, E. (Rl , oo) représente l’énergie cinétique relative à l’infini dans la voie de sortie, pour ^une transition s’effectuant à la distance internucléaire Ri ; ^{AE est la} différence en- tre l’énergie El (R1 ) de l’électron éjecté ^{au cours du} processus ^{étudié et} l’énergie Eo ^{de l’électron} qui ^serait éjecté par impact d’électron ou par photoionisation.

La relation (1) peut s’expliciter ^{sous la forme :}

lorsque ^Y+ représente ^{un ion} atomique formé dans un état électronique ^{i. En} intégrant ^{cette rela-}

tion sur toutes les valeurs de R1 auxquelles s’effectue la transition, ^{on trouve} que la distribution en

énergie ^des particules ^{X et} Y+ , pour i ^{fixé, est le} produit ^de convolution de la distribution en én-

ergie maxwellienne des particules ^{dans la voie d’entrée} par ^{celle des électrons} éjectés. ^{Or, la distri-}

bution en énergie ^{des électrons} éjectés peut ^{être mesurée} pour ^toute valeur de i par spectroscopie électronique, ^{de même} que ^les décalages ^en énergie ^AE (i) . ^En pratique, ^{si les} pics électroniques

observés sont fins (ce qui correspond ^{à une faible} dispersion des valeurs de El (R1, i) relativement à R1), ^et si les valeurs AE (i) ^{sont du même ordre de} grandeur pour ^tout i, la distribution en én-

ergie ^des particules dans la voie de sortie dépend essentiellement de celle des particules ^lourdes

dans la voie d’entrée.

Ceci montre que les distributions en énergie ^{d’ions Y+ formés dans des états} électroniques ⁱ

et i’ différents ont :

-

même forme, ^{si les} pics électroniques correspondant ^{à ces états ont même} largeur ;

-

même position ^{sur l’axe des} énergies, ^{si les} quantités ^AE (i) ^{et AE} (il) ^sont égales.

Dans ce cas la distribution en énergie ^{des ions collectés} peut être considérée comme sensi- blement maxwellienne : cette distribution sera élargie par la fonction de transfert du dispositif expérimental.

Le résultat est similaire lorsque ^{Y+ est un} ion moléculaire formé dans des états i, v : ^les

distributions en énergie des ions collectés sont confondues pour ^toute valeur de i et de

si les

pics électroniques ^observés par spectroscopie électronique ^{ont même} largeur ^{et s’ils} présentent

des décalages identiques par rapport ^aux pics ^de photoionisation.

2.2 RÉACTIONS IMPLIQUANT DES TRANSFERTS D’ÉNERGIE DE VIBRATION EN ÉNERGIE DE TRANSLATION.- Dans l’hypothèse ^{où la} demi-collision (d) ^fait intervenir un transfert d’énergie ^de

vibration en énergie cinétique ^{de valeur} bw, ^l’ion Co2+ (i, v’) acquiert par rapport ^{à l’ion} CO+ (i, v)

un supplément d’énergie cinétique mNe.fJr..v I( mNe ⁺ mco2) ^{dans le} référentiel du centre de masse.

Les ions CO2+ (i v’) ^et cot ^{(i, v) étant collectés dans la même direction (celle du} jet cible), ^il

est possible ^d’évaluer graphiquement (Fig. 2) ^ou analytiquement, pour différentes valeurs de bw leurs différences d’énergie cinétique ^{dans le} référentiel du laboratoire.

Dans la première partie ^{de cette étude} théorique, nous avons montré que l’énergie ^{des ions}

CO+ (i, v) ^est distribuée suivant une loi en E3/2 exp(-E/kT). ^{La figure 3} reproduit ^{cette distribu-}

tion pour ^{une valeur} particulière ^{de kT} (70 meV), ^ainsi que ^les distributions normalisées calculées

sur les bases que ^{nous venons} d’évoquer, pour des transferts à partir ^{des niveaux} 100, 002,102, 202,

dans le référentiel du laboratoire.

Fig. ^2.- Diagramme de Newton de la réaction.

[Newton diagram ^{of the} interaction.]

3. Résultats.

3.1. INTERACTION Ne* (3 PO,3 P2) ^{-Ar -} Ar+ (i) ^{+ Ne + e.- Au cours de cette} interaction [8, 9],

l’ion Ar+ est formé dans les états 2 P3/ 2 ^et 2P1/2. ^{Hotop [10] a montré que les} décalages ^{en én-} ergie ^DE (i) correspondant ^{à ces 2 états sont} respectivement ^{de + 29 et + 28 meV} par impact ^de

métastables 3 P2 et ^{de + 35 et + 32 meV} par impact ^de métastables 3Po. Ces valeurs sont suffisam- ment proches ^{les unes des autres} pour qu’on puisse considérer AE (i) ^comme indépendant ^{de i.}

Par ailleurs, ^{la forme des} pics électroniques ^est sensiblement la même dans ces différents _cas, avec

des largeurs à mi-hauteur du même ordre de grandeur.

1782

Fig. 3.- Distribution en énergie théorique, ^{dans le} référentiel du laboratoire, ^{des ions} CO+ ^{créés sans trans-}

fert d’énergie (a) ^{et avec} transfert à partir ^des niveaux 100 (b), ⁰⁰² (c), ¹⁰² (d), ²⁰² (e).

[Theoretical energy distributions in the laboratory system ^of CO+ ions created without energy ^transfer (a),

with energy transfer from 100 (b), ⁰⁰² (c), ¹⁰² (d), ²⁰² (e) levels.î

On doit donc s’attendre, conformément aux conclusions de la discussion précédente, ^{à ce}

que la distribution en énergie ^{des ions Ar+ collectés soit} analogue à celle des particules ^neutres.

C’est ce que l’on observe effectivement figure 4, ^où les résultats expérimentaux ^{ont été} ajustés

à une distribution de Maxwell pour ^un jet, c’est-à-dire à une loi en E3/2 exp( - E / kT) ^{avec une}

valeur de kT égale à 70 meV On constate un bon accord avec la loi théorique. La valeur de kT utilisée correspond ^{à une} température sensiblement supérieure ^{à la} température réelle du fait de

l’élargissement instrumental.

3.2 INTERACTION Ne* (3Po, 3P2) - CO2 ~ ^{CO+2 (i, v) + Ne + e.- Les décalages en énergie pour}

l’état fondamental de l’ion CO+ ^ont été estimés par ^Cermak [4] ^{à + 15 meV} par impact ^{de métasta-}

bles 3P2 ^{et à + 20 meV} par impact ^de métastables 3Po. ^{Ces résultats sont conformes à ceux} qui ^ont

été obtenus au laboratoire [11], qui ^{montrent en outre} que ^les pics électroniques correspondant

aux divers niveaux vibrationnels de cet état ont sensiblement la même largeur.

La courbe expérimentale reproduite figure ⁵ présente ^un certain nombre de structures qui

rendent impossible ^son ajustement ^{à une} distribution de Maxwell.

La discussion théorique précédente permet d’interpréter ^{ce résultat} par l’existence de trans-

ferts d’énergie de vibration en énergie cinétique. ^{Dans cette} hypothèse, ^{on doit} pouvoir reproduire

la distribution expérimentale ^en superposant ^{certaines des} distributions présentées figure 3, ^con- venablement pondérées. ^Cet ajustement ^doit permettre d’identifier les transferts mis en jeu ^{et de}

calculer leurs probabilités.

Le résultat de ce calcul est représenté figure ⁵ par ^{la courbe en trait} plein. ^{Il a été obtenu}

en superposant à la distribution maxwellienne (a) ^{de la} figure 3 les distributions (c), (d), (e) ^cor-

Fig. 4.- Distribution en énergie ^{des ions Ar+ créés au cours} de l’interaction Ne* (3pO,3 P2) -Ar. ^{Les résul-}

tats expérimentaux ^sont ajustés par ^une distribution de Maxwell.

[The ^observed energy distribution of Ar+ ions created by ^{the reaction Ne*} (3po @3 P2 ) -Ar, ^{fitted by a single}

Maxwellian distribution.]

responda’nt à des transferts à partir ^{des niveaux 002, 102 et 202. Cet} ajustement ^a été réalisé en

prenant pour la maxwellienne (a) ^et pour le calcul des autres distributions une valeur de kT é-

gale ^{à 70 meV,} qui permet ^{de rendre} compte à la fois de la distribution réelle des vitesses dans le faisceau cible et de l’élargissement instrumental, _pour ^{une cible} d’argon. Le choix d’une même valeur de kT dans le cas de C02 ^se justifie par ^{le fait} que ^les décalages ^en énergie ^DE (i) ^obtenus

pour ^{ces 2 cibles sont du même ordre de} grandeur, ^et qu’ils ^{sont très} petits par rapport ^{aux trans-}

ferts 8W envisagés. ^Les poids statistiques ^{affectés à ces 4} distributions sont respectivement ^{de 100,} 10, ^{6 et 5.} Compte-tenu ^des incertitudes expérimentales, ^{ces résultats ne sont} qu’approchés, ^bien

que qualitativement significatifs. ^En particulier, ^cet ajustement ^{exclut la} possibilité de transferts à partir ^{du niveau 100. Pour cette raison,} nous avons également ^éliminé l’hypothèse de transferts à partir ^{des autres} niveaux faisant intervenir exclusivement le mode vl (200, 300, 400), ^bien que ceux-ci puissent ^{être a} priori pris ^en compte pour l’ajustement, ^{dans la mesure où leurs} énergies

sont voisines de celles des niveaux 002, 102 ^{et 202} [4].

4. Conclusion.

Les résultats de cette étude apportent ^une confirmation nouvelle de l’existence de mécanismes

1784

Fig. 5.- Distribution en énergie ^{des ions} C02 ^{créés au cours de} l’interaction Ne* (3po@3 P2) - ^{C02. Les}

résultats expérimentaux ^sont ajustés par ^une superposition ^{de 4} distributions.

[The ^{observed energy} distribution of CO2 ions created by the reaction Ne* (3pO,3 P2) ^{-C02, fitted by a}

superposition ^{of 4} distributions.]

collisionnels en deux étapes ^et de transferts d’énergie ^{de vibration en} énergie ^de translation au cours d’une interaction néon métastable - CO2.

L’approche expérimentale ^{mise en oeuvre ouvre des} perspectives intéressantes dans la mesure

où elle permet ^de quantifier les transferts d’énergie conduisant à la formation de l’ion finaL En l’état actuel ^{cette méthode ne} peut pas s’appliquer ^{à l’étude dé} l’interaction He*-C02,

en raison de la complexité ^{et de la diversité des réactions} observées, ^l’ion CO) ( 1, v’) pouvant ^être formé dans le complexe intermédiaire (b) ^dans plusieurs ^états électroniques distincts. Elle ne

peut ^donc s’appliquer pour ^{le moment} qu’à des réactions conduisant à la formation d’un seul type d’ions, ^{dans un seul état} électronique, ^{ou à la} rigueur 2, ^{à condition} _que les écarts entre les niveaux vibrationnels correspondants soient suffisamment différents pour que ^les ajustements puissent ^être

réalisés sans ambiguité.

Il faut noter cependant que ^{cette méthode} pourrait être améliorée en mesurant l’énergie ^des

ions à l’aide d’un sélecteur à 127°, ^au lieu de le faire par ^une simple ^{méthode de} potentiel ^retardé.

Nous étudions actuellement les modifications à apporter en ce sens au dispositif expérimental.

En réduisant de manière sensible l’élargissement ^des distributions expérimentales, inhérent à la méthode de potentiel ^{retardé, il serait} possible d’affiner les résultats actuels et surtout d’étendre

nos études à des réactions plus complexes.

Enfin, ^{dans une deuxième} étape, il serait souhaitable de pouvoir disposer ^de jets superson-

iques, ^{de manière} à réduire la distribution de vitesse des particules ^neutres incidentes, ^et séparer ainsi, de ^manière beaucoup plus ^nette, les contributions des différents transferts.

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Bibliographie

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