Aszimmetrikus fotoelektron emisszió fotonfotonatom és fotonfoton-H2 molekula kölcsönhatásban Ricz Sándor MTA Atommagkutató Intézete
SZFKI, Budapest 2013. 12. 10
Tartalom • •
I. Fotoelektronok differenciális hatáskeresztmetszete Kísérleti berendezés - Max Max--lab I411I411-s nyaláb csatornája (Lund, Svédo. Svédo.)) - DESY BW3BW3-s nyaláb csatornája (Hamburg, Németo. Németo.)) - ESA ESA--22 elektron spektrométer
•
Fotoelektronok differenciális hatáskeresztmetszete (kísérlet)
•
II. Aszimmetria fotonfoton-atom kölcsönhatásban - Korábbi méréseinkből
•
Aszimmetria külső s- és p-héjakra - speciális mérések
Bevezetés
Cél: Magasabb rendű effektusok vizsgálata foton atom Cél: kölcsönhatásokban.
Hagyomány: 1 keV foton energia alatt a fotoelektronok Hagyomány: szögeloszlása tisztán dipól típusú.
Elméletii jóslás Elmélet jóslás:: Nondipol effektus 1keV alatti foton energiáknál.
Kísérlet: A mért szögeloszlások alakja nagyon érzékeny a Kísérlet: kölcsönhatások részleteire (elektron korreláció, ionizációs és gerjesztési csatornák közötti kölcsönhatások……..).
Érdekesség: Nincs kísérleti vizsgálat széles szögtartományra Érdekesség: =0°± =0 °±180 180°°.
Fotoelektronok szögeloszlása: Az átmeneti mátrixelem fotoionizációra/gerjesztésre a következő:
A(k,r) vektor pot. A kölcsönhatási potenciál Taylor-sora r=0 környezetében:
Az átmeneti mátrixelemet a kezdeti és végállapot között közelíthetjük a következő kifejezéssel, figyelembe véve az elsőrendű nondipól korrekciót is:
Megmaradási törvények:
Energia Impulzus Impulzusmomentum Paritás
Tetszőlegesen orientált atomokra, 100%-ban lineárisan poláros fényre, a fotoelektron emisszió differenciális hatáskeresztmetszetére kapjuk:
d (h , , ) d d
(h ) 1 4
tot
(h ) P2 (cos )
E1 dipól az E1 dipól anizotrópia paraméter az E2 nondipol anizotrópia paraméter a M1 nondipol anizotrópia paraméter P2: a másodrendű Legendre-polinom ϴ: polárszög : azimutszög
Speciális szögek: =90°
csak dipól szögeloszlás
=54.7° (P2=0) csak nondipol szögeloszlás =0° minden anizotrópia paraméter merhető
(h )
(h ) cos2
sin cos
E2, M1 nondipol
Koordináta rendszer a k-hoz viszonyítva
d
0
d d
4
d ( , ) d d
1
2
3 sin 2 ( ) cos2 ( ) 1
d ( , ) d d
sin 2 ( ) cos 2 ( ) cos( ) ...... d ( , ) d d
d ( , ) d d
Azonos eredmény: ha a →k irányában növekszik
Dipól szögeloszlás Dip k
=2
k k P EP k
=-1
k
k P E P
Nondipol szögeloszlás Nondip k
=0 =0.8 =0
k
k P EP
= 0.5 =0 =0.3
k
Nincs szimmetria a polarizációs vektorhoz P viszonyítva!
k
k P
EP
Kísérlet A szinkrotronok és nyalábcsatornák főbb paraméterei
MAX-II (MAX-lab, Lund, Svédország) tároló gyűrű: Ee=1.5 GeV elektron, injektálás 12 óránként Az I411 nyalábcsatorna: undulátor, h =50–1500 eV, SX-700 monokromátor (1220 l/mm), foton fluxus: 1011–1013 foton/s.
DORIS III (HASYLAB, Hamburg, Németország) szinkrotron: Ep=4.45 GeV pozitron, injektálás 8 óránként A BW3 nyalábcsatorna: undulátor, h =15–1800 eV, SX-700 monokromátor (1220 l/mm), foton fluxus: ~ 1012 foton/s.
ESA-22 típusú elektrosztatikus elektron spektrométer MAX-II-nél: ESA-22L spektrométer DORIS III-nál: ESA-22G analizátor.
Fő jellemzők: - Két menetes - Másodrendben fókuszál
R
- Nagy energiafelbontás (2.5x10-3) - Beépített fékezőlencse - Széles energiatartomány (20eV 10 keV) - Szögtartomány: és 270°)
10 cm
ESA-22L: 0°±180° (15° lépésköz, kivéve 0°, 90°, 180° ESA-22G: 0°±180° (15° lépésköz, kivéve 90° és 270°)
L
A detektorok relatív hatásfokának meghatározása MAX-II kísérleteknél: Ar L2 – M2,3M2,3 3P0,1,2 Auger-vonal. DORIS III mérésekben: Ar L3 – M2,3M2,3 1D2 Auger-csúcs.
Az anizotrópia paraméterek fotonenergia függésének kísérleti vizsgálata
Méréseket végeztünk a következő atomokra és atomi héjakra: Ar 2p, 3s, 3p Xe 5s, 5p Kr 3d, 4p A mért differenciális hatáskeresztmetszetek alakja egy kissé eltért az ideálistól.
Anizotrópia paraméterek a Xe 5s fotoelektronokra hν=150 eV k
hν=190 eV k
P
Ricz et al, Phys. Rev. A 67 (2003)012712
P
Dipól és non-dipól anizotrópia paraméterek fotonenergia függése a Xe 5p fotoelektronokra
Phys. Rev. A 69 (2004)012707
Anisotropy parameters for Ar 3p h =210 eV photoelectrons h =247.827 eV 3p1/2
P
P
h =237.5 eV
h =249.067 eV
3p1/2 P
P MBPT
Phys. Rev. A 72 (2005)014701
A Kr 4p fotoelektronok anizotrópia paraméterei a 3d→np rezonáns gerjesztés tartományban h =91.0375 eV
f1
,
cos 2 2 1 sin 2 cos 2
Phys. Rev. A 81 (2010)043416
h =91.1625 eV
d d 1
P
4
(3 sin 2
{1 sin 2 [(3 sin 2
cos2 cos2
cos2
1) / 2
cos 1) / 2] f1 ( , )
1 f1 ( , ) (35 sin 4
cos4
f1 ( , ) 30 sin 2
cos2
3) / 8 }
Elektromos oktupól fotonenergia függése a Kr 4p fotoelktronokra
Néhány szögeloszlás Xe 5s hν=150 eV
Ar 3s h =210 eV
Ar 3p
h =247.827 eV
3p1/2
k ALR=0.06(5)
P
hν=190 eV
ALR=0.05(5)
ALR=0.07(5)
h =237.5 eV
ALR= 0.01(5)
ALR=0.002(6) h =249.067 eV
3p1/2
ALR=0.028(3)
Jobb és bal definíciója méréseinkben
R 0
0
2
d ( , ) d d d
L 0
2
d ( , ) d d d
d ( , ) d d d
sin d
sin d
Δχ= 1.7 Δψ= 5 L
i
,
i
i
R
j j
j
,0
QM, QED
ALR
L
R
L
R
0
Az aszimmetria paraméterek fotonenergia függése
Az kísérleti adatok eloszlása nem véletlenszerű nulla körül!!
Az aszimmetria paraméterek a fotoelektronok energiájának függvényében Fékezési arány: D=Epass/Ekin=0.23 1
Kísérleti bal-jobb aszimmetria paramétereket határoztunk meg lineárisan poláros szinkrotron sugárzás alkalmazásával (h =220.4–256.3 eV) H2 molekulára és a következő nemesgázokra, illetve atomi héjakra: He 1s Ne 2s, 2p Ar 2p, 3s, 3p Kr 4s, 4p Xe 5s, 5p Mérési körülmények: Két spektrométert és két szinkrotront használtunk s-héjakra A fékezési arány konstans volt Az Auger és a fotoelektronok kinetikus energiája megegyezett A monokromátor kimenő résszélessége állandó volt
Mérési módszer és kiértékelés: 1. Auger-csúcs −> fotoelektron spektrum −> Auger-csúcs…… 2. Lineáris háttérlevonás.
3. A fotoelektron vonalak intenzitásának normálása az Augercsúcsok területére minden szögcsatornában külön-külön. 4.
N L
N i
,0
i
i
N R
N j
j
,
j
ALR
N L N L
N R N R
Eredmények
Bal-jobb aszimmetria paraméterek az Ar 2p héjára:
Nyalábcsatorna: I411 (MAX-II) és ESA-22L: h =461.2 eV Ar L2 – M2,3M2,3 3P0,1,2 és az Ar 2p fotoelektronok azonos spektrumban.
=> ALR1/2=0.015±0.01 ALR3/2=0.0094±0.009
ALR2p=0.0087±0.004 Ricz et al, NJP 9 (2007)274.
Oului csoport =45 , ALR=–0.068 Max-lab, Lund Svédország
Ismétlés két Scienta spektrométerrel: =0 , ALR2p=0.010±0.003 Hinasmaki et al,Phys. Scr. 87 (2013) 065302.
Aszimmetria paraméterek ss- és pp-héjakra az atomi tömeg függvényében
Ar, Kr és Xe esetén az s- és p-héj fotoelektronokat azonos spektrumban mértük. Az aszimmetria paraméterek előjele nem azonos a két héjra az argon kivételével. 0.10
0.03
s-shells H2
Ar 3p
0.01
Ar 2p1/2 Ar 2p3/2
0.06 0.00
He 0.04
0.02
Kr
Ne
Xe
Ar 0.00
0
20
40
60
80
100
Atomic mass (a.u.)
Ricz et al, NJP 9 (2007)274.
120
Asymmetry
(σL- σAsymmetry R)/(σL+ σR)
0.08
p-shells
0.02
140
Xe 5p1/2
-0.01 -0.02
Xe 5p3/2 Kr 4p
Ne 2p
-0.03
20
40
60
80
Atomic mass (a.u.)
100
120
140
Aszimmetria paraméterek függvényében
s-héjakra
az
atomi
tömeg
Az elméleti és kísérleti bal-jobb aszimmetria paraméterek összehasonlítása s-héjakra.
ALR
L
R
L
R
2
APNC AEM
APNC a paritássértő, AEM az elektromágneses kölcsönhatást leíró mátrixelem.
Ricz et al, NJP 9 (2007)274.
Előre és hátra irányú aszimmetria paraméterek ss-héjakra A
F R F R
B ALR
B L B L
B R B R
F R
F L
0
F LR
F L F L
2
0
2
0 B R
B L
2
2 0
Aszimmetria paraméterek a rezonáns gerjesztések fotonenergia tartományában Ar 3p(2p→ns/md) Normalizálás: Ar Auger-csúcs
Aszimmetria paraméterek a rezonáns gerjesztések fotonenergia tartományában Kr 4p(3d→np) Normalizálás: Ne 2s fotocsúcs
Frankfurti csoport hν=306 eV ALS, Berkely USA
Trinter et al.,Mol. Phys. 110 (2012)1863.
Az aszimmetrikus fotoelektron emisszió jellemzői: - Az aszimmetria előjele függhet az atomi héj szimmetriájától (s, p, d,…). nagysága függ az atomi tömegtől (rendszámtól) s-héjakra. nagyobb nyalábirányban. érzékeny a csatorna kölcsönhatásokra. függ a fotoelektron energiájától. - A relativisztikus effektusok nem elhanyagolhatók. - Balra, jobbra cirkulárisan poláros fényre is aszimmetria. - Auger elektron aszimmetria!!!
Magyarázat:
?
A megfigyelt nullától különböző bal-jobb aszimmetria azt sugallja, hogy a tértükrözési szimmetria sérül elektromágneses kölcsönhatásban.
Együttmüködők ATOMKI (Debrecen, Magyarország): Ferenc Gáll Ákos Kövér Tícia Ricsóka Dezső Varga Justus-Liebig University (Giessen, Germany): Alexander Borovik, Jr. Kristof Holste Alfred Müller Stefan Schippers University of Oulu (Oulu, Finland): Helena Aksela Seppo Aksela Marko Huttula Samuli Urpelainen
