Применение упрощённой модели для оценки констант скорости процессов взаимной нейтрализации при столкновениях B⁺ + A^-

Недавно были экспериментально исследованы столкновения катионов кислорода с различными анионами [1-3] при энергиях порядка десятков мэВ. Полученные экспериментально результаты относительных заселённостей возбуждённых состояний кислорода после рассеяния хорошо воспроизводятся в рамках упрощённой модели [4-5]. Это говорит о физической корректности упрощённой модели и надёжности получаемых в её рамках результатов.

При этом упрощённая модель позволяет получить не только относительные оценки заселённостей тех или иных состояний атома после рассеяния, но и оценить абсолютные величины констант скорости с хорошей точностью: расхождение от точных квантовых расчётов составляет от 2 до 10 раз для констант скорости, попадающих в оптимальное окно упрощённой модели (см., например, [6]). Тогда как широко используемая в астрофизических приложениях формула Дравина предсказывает величины констант скорости, отличающиеся на несколько порядков от величин, получаемых посредством квантовых расчётов, а для процессов взаимной нейтрализации и образования ионной пары формула Дравина даёт нулевые значения констант скорости. При температуре Т = 6000 К типичные наибольшие значения величин констант скорости процессов взаимной нейтрализации лежат в диапазоне 10^-11-10^-7 см³/с, для процессов девозбуждения значения величин констант скорости зачастую меньше минимум на один порядок величины. Величины констант скорости процессов образования ионной пары и возбуждения меньше констант скорости процессов взаимной нейтрализации и девозбуждения.

Как теоретические, так и экспериментальные исследования показывают, что существует так называемое оптимальное окно для величин констант скорости. Кривая упрощённой модели, которая представляет собой зависимость величины приведённой константы скорости от энергии связи электрона в атоме (или, при простом пересчёте, от энергии возбуждения электрона в атоме), имеет максимум при однозначно определённой энергии связи электрона в атоме. Для астрофизических приложений наибольший интерес представляют столкновения различных катионов с анионами водорода. В этом случае максимум кривой упрощённой модели приходится на энергию связи примерно –2 эВ для всех партнёров столкновения с водородом. При этом оптимальное окно расположено в диапазоне энергий связи электрона в атоме-партнёре столкновения с водородом Ebinding от ≈-1.25 эВ до ≈-4.0 эВ.

Для оценки величин констант скорости неупругих процессов взаимной нейтрализации, попадающих в оптимальное окно упрощённой модели, для температурного диапазона T от 1000 до 15000 K можно использовать аналитическую кусочно-заданную функцию, построенную таким образом, что максимум этой функции равен единице. Для получения значений констант скорости необходимо умножить эту функцию на величину A(T), зависящую от температуры. Эти величины A(T) могут быть получены напрямую из упрощённой модели и затабулированы для удобства использования в астрофизических приложениях. Точность получаемых с помощью этой формулы величин констант скорости составляет порядка 5% относительно предсказаний упрощённой модели для окрестностей максимума кривой упрощённой модели, и порядка 50% для самых краёв оптимального окна.

Работа поддержана внутренним грантом РГПУ им. А. И. Герцена (№ 46-ВГ).

Литература

[1] X. Urbain, N. de Ruette, A. Dochain, T. Launoy, R. Nascimento, M. Kaminska, M. Stockett, J. Loreau, J. Lievin, N. Vaeck, R. Thomas, H. Schmidt, and H. Cederquist, J. Phys. Conf. Ser. 1412 (2020) 062009.

[2] M. Poline, A. Dochain, S. Rosen, J. Grumer, M. Ji, G. Eklund, A. Simonsson, P. Reinhed, M. Blom, N. S. Shuman, S. G. Ard, A. A. Viggiano, M. Larsson, H. Cederquist, H. T. Schmidt, H. Zettergren, X. Urbain, P. S. Barklem, and R. D. Thomas, Phys. Chem. Chem. Phys. 23 (2021) 24607.

[3] N. de Ruette, A. Dochain, T. Launoy, R. F. Nascimento, M. Kaminska, M. H. Stockett, N. Vaeck, H. T. Schmidt, H. Cederquist, and X. Urbain, Phys. Rev. Lett. 121 (2018) 083401.

[4] A. K. Belyaev and S. A. Yakovleva, A&A 606 (2017) A147

[5] A. K. Belyaev and S. A. Yakovleva, A&A 608 (2017) A33

[6] A. K. Belyaev, D. V. Vlasov, A. Mitrushchenkov, and N. Feautrier, MNRAS 490 (2019) 3384.