Clauser, César F. (2012) Pérdida de energía de proyectiles atómicos en plasmas. / Energy loss of atomic projectiles in plasmas. Maestría en Ciencias Físicas, Universidad Nacional de Cuyo, Instituto Balseiro.
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| PDF (Tesis) Español 2094Kb |
Resumen en español
En este trabajo presentamos un estudio del comportamiento de la pérdida de energía de proyectiles atómicos en plasmas a través de un esquema semiclásico y aproximaciones perturbativas del mismo. Este esquema ha mostrado reproducir los resultados cuánticos exactos de una manera satisfactoria. Permite exponer los diversos comportamientos de la pérdida de energía en ciertas condiciones particulares, dado que es un esquema no lineal y que interpola los límites clásico y cuántico de una manera apropiada. Este esquema semiclásico es lo suficientemente complejo como para no poder presentar un modelo analítico de la pérdida de energía, pero a la vez, es lo suficientemente sencillo como para resolverlo numéricamente en diversas condiciones sin un costo computacional significativo. Los plasmas considerados en este trabajo son totalmente arbitrarios, tanto en densidad como en temperatura. Para ello hemos incluido los efectos cuánticos de degeneración por bajas temperaturas o altas densidades. Esto nos permite, en cierta aproximación, contrastar con resultados experimentales en sólidos. El trabajo comprende el estudio del comportamiento de la pérdida de energía en función del número atómico del proyectil, de su velocidad y de su grado de ionización. En los dos primeros casos, se evalúan los límites con las propuestas perturbativas y modelos analíticos existentes. Hemos prestado especial atención a la región de bajas energías del proyectil (menor que la energía térmica de los electrones del plasma) dado el comportamiento fuertemente no-lineal. En esta región se observan comportamientos oscilatorios de la pérdida de energía al variar su número atómico, comportamientos que ya fueron estudiados y reportados en sólidos, pero que los modelos analíticos existentes no pueden reproducirlos debida a esta naturaleza no lineal. No hay resultados experimentales de estas oscilaciones en plasmas y solo un trabajo teórico previo, pero en el cual no se observa una correcta transición al estado metálico (plasma totalmente degenerado). El estudio de estas oscilaciones muestra que se deben tanto a la "estructura" del proyectil como a las pocas ondas parciales involucradas en el proceso de colisión de baja energía. Por lo tanto, se atenúan a medida que aumenta la temperatura del plasma y/o la velocidad del proyectil. Además, el carácter cuántico de la colisión, en estas condiciones, y la estructura del proyectil nos permite presentar un diagrama para exponer en que regiones se producen estas oscilaciones. Los estudios en función de la velocidad muestran un comportamiento adecuado con los modelos existentes en condiciones perturbativas. Por otro lado, se observan modulaciones de la pérdida de energía para proyectiles neutros con altos números atómicos. Sin embargo, dado que los átomos adquieren una carga efectiva al atravesar el medio, se observa en estas condiciones que las modulaciones desaparecen. Esto posibilitaría un contraste experimental futuro. Como hemos dicho, los proyectiles considerados en este trabajo son átomos neutros, parcial o completamente ionizados. Esto es posible gracias a la implementacion de un potencial sencillo que nos permite variar el grado de ionizacion de manera arbitraria. En particular, esto nos ha permitido extender una aproximacion, originalmente propuesta para proyectiles nucleares, a atomos en cualquier estado de carga. Ademas, es posible observar el comportamiento de la perdida de energa de proyectiles al variar su grado de ionizacion, manteniendo fijos el numero atomico y la velocidad del proyectil (Resultados experimentales de este tipo serviran para optimizar el mecanismo de ionizacion propuesto y, de esta manera, extrapolarlo a otras condiciones).
Resumen en inglés
This work presents a study of the behavior of the energy loss of atomic projectiles in plasmas through a semiclassical scheme and perturbative approximations thereof. This scheme has succeeded reproducing the exact quantum results in a satisfactory manner. It allows to describe different behaviors of the energy loss in particular conditions since it is a nonlinear scheme that interpolates the classical and quantum limit in an appropriate manner. This semiclassical scheme is too complex to present an analytical model for the energy loss, but it is simple enough to solve numerically under various conditions without a significant computational cost. The plasmas considered in this work are entirely arbitrary, both in density and temperature. For this, we have included the quantum effects of degeneration by low temperatures or high densities. This allows us, in some approximation, to contrast it with experimental results on solids. The work includes the study of the behavior of the energy loss as a function of the projectile atoimc number, projectile velocity and projectile ionization degree. In the first two cases, its limits are evaluated with perturbative proposals and existing analytical models. We have paid special attention to the region of low projectile energies (less than the thermal energy of the plasma electrons) because of the strong non-linear behavior. In this region it is possible to observe an oscillatory behavior of the stopping power when the nuclear projectile atomic number varies, behavior that has been studied and reported in solids, but existing analytical models cannot reproduce it due to this nonlinear nature. There are no experimental results of these oscillations in plasmas, and only one previous theoretical work in which there is no clear transition to the metallic state (fully degenerate plasma). The study of these oscillations shows that they are due both to the "structure" of the projectile as to a few partial waves involved in the process of low-energy collision. Therefore, they are attenuated as the plasma temperature and/or the projectile velocity increases. Furthermore, the quantum character of the collision, in these conditions, and the projectile structure allowed us to present a diagram in order to exhibit in which regions these oscillations can take place. Studies based on the velocity display an appropriate behavior with the existing models in perturbative conditions. On the other hand, there are some modulations of energy loss for neutral projectiles having high atomic numbers. However, since the atoms acquire an effective charge when going through the medium, it is possible to observe that the modulations disappear under these conditions. This would make an experimental contrast useful in the future. As we have just said, the projectiles considered in this work are neutral, partially or fully ionized atoms. This is possible thanks to the implementation of a simple potential that allows to vary the degree of ionization arbitrarily. Particularly, this has allowed us to extend an approach, originally proposed for nuclear projectiles, to atoms in any charge state. Furthermore, it is possible to observe the behavior of the energy loss of projectiles when varying its ionization degree, maintaining the atomic number and the projectile velocity fixed (Experimental results of this type could be useful for optimizing the proposed mechanism of ionization and thus extrapolating it to other conditions).
| Tipo de objeto: | Tesis (Maestría en Ciencias Físicas) |
|---|---|
| Palabras Clave: | Energy losses; Pérdida de energía; Collisions; Colisiones; Atoms; Átomos; Ions; Iones; Quantum plasmas; Plasmas cuánticos |
| Referencias: | [1] Arista, N., Sigmund, P. Physical Review, A76, 062902, 2007. x, x, x, 23, 24, 25, 26, 48 [2] Cox, D. M., et Al. Phys. Rev., A10, 1409, 1974. x, x, 33, 38 [3] Arista, N. R. Energy loss of ions in solids: Non-linear calculations for slow and swift ions. Nucl. Instr. and Meth. B, 195, 91{105, 2002. xi, 15, 16, 19, 47, 48, 50 [4] Kumakhov, M., Komarov, F. Energy loss and ion ranges in solids. Gordon and Breach Science Publishers, 1981. 1 [5] Gras-Martí, A., Urbassek, H., Arista, N. Interaction of Charged Particles with Solids and Surfaces. Plenum, 1991. 1 [6] Lindhard, J., Winther, A. Mat. Fys. Medd., 34 (4), 1964. 1 [7] Echenique, P., Nieminen, R., Ritchie, R. Phys. Rev., A33, 897, 1986. 1 [8] Peter, T., ter Vehn, J. M. Energy loss of heavy ions in dense plasma. i. linear and nonlinear vlasov theory for the stopping power. Physical Review, A43 (4), 1998{2014, 1991. 1, 31, 40, 41, 57 [9] Ichimaru, S. Basic Principles of Plasma Physics. Benjamin, Reading, Mass., 1973. 6, 40 [10] Saha, M. N. On a physical theory of stellar spectra. Proceedings of the Royal Society of London, A99 (697), 135-153, 1921. 8 [11] Jackson, J. D. Classical Electrodynamics. John Wiley & Sons, 1975. 8, 18 [12] Arista, N., Brandt, W. Dielectric response of quantum plasmas in thermal equilibrium. Phys. Rev. A, 29 (3), 1471-1480, 1984. 9, 45 [13] Barrachina, R. O., Ponce, V. H. Teoría de Colisiones. Universidad de Alicante, 1994. 12 [14] Taylor, J. R. Scattering Theory. John Wiley & Sons, Inc., Colorado, 1972. 12 [15] Mu, Y., Wang, R., Xia, Y., Tan, C., Mei, L. Electronic stopping power of plasma for heavy ions at low velocity. Phys. Rev. E, 36 (3), 3777-3780, 1998. 14, 48 [16] F. Salvat, R. M., J.D. Martínez, Parellada, J. Analytical dirac-hartree-fock-slater screening function for atoms (z=1-92). Phys. Rev., A36 (2), 467-474, 1987. 16, 63, 64 [17] de Ferrariis, L., Arista, N. R. Classical and quantum-mechanical treatements of the energy loss of charged particles in dilute plasmas. Physical Review, A29 (4), 2145-2159, 1984. 18, 31, 35, 36, 37, 57 [18] Landau, L. D., Lifshitz, E. M. Quantum Mechanics: Non-Relativistic Theory. Pergamon Press, Oxford, 1960. 24 [19] Landau, L. D., Lifshitz, E. M. Mecánica. Reverté, 1994. 31 [20] Bloch, F. Ann. Phys. (Leipzig), 5, 285, 1930. 35 [21] Rostoker, N. Nucl. Fusion, 1, 101, 1960. 40 [22] Ormrod, J. H., Duckworth, H. E. J. Phys., 51, 1424, 1963. 48 [23] Rastrup, B., Hvelplund, P., Sautter, C. A., Selskab, K. D. V. Mat. Phys. Medd, 35, 10, 1966. [24] Lennard, W. N., Geissel, H., Jackson, D. P., Phillips, D. Nucl. Instr. and Meth. B, 13, 127, 1986. 48 [25] Finneman, J. Tesis Doctoral, University of Aarhus, 1968. 48 [26] Briggs, J. S., Pathak, A. P. Momentum transfer corss sections and the z1 oscillations in stopping power. J. Phys. C: Solid State Phys., 6, L153-L157, 1973. 48 |
| Materias: | Física Física > Mecánica cuántica |
| Divisiones: | Investigación y aplicaciones no nucleares > Física > Colisiones atómicas |
| Código ID: | 394 |
| Depositado Por: | Marisa G. Velazco Aldao |
| Depositado En: | 12 Mar 2013 10:21 |
| Última Modificación: | 12 Mar 2013 13:58 |
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