[論文レビュー] Mutual neutralization in low energy H^+ + H^- collisions

Michael Stenrup, Åsa Larson+1 more|ArXiv.org|Feb 11, 2009

High-Energy Particle Collisions Research被引用数 3

ひとこと要約

本研究は、核の量子効果および核の同一性を完全に取り入れた分子近接結合法を用いて、低エネルギーにおける H⁺ + H⁻ 衝突における相互中性化を完全に量子力学的・ab initio に検討する。H(1) + H(n)（n=1,2,3）の状態分解能および全中性化断面積を計算し、先行理論的研究と良好な一致を示すが、Moseley ら（1970）の実験的断面積と比較すると、2〜3倍低い値が得られ、低エネルギー域での測定値に過大評価の可能性があることを示唆している。

ABSTRACT

The mutual neutralization of H^+ and H^- ions at low collision energies is studied by means of a molecular close-coupling approach. All degrees of freedom are treated at the full quantum level taking into account also the identity of the nuclei. The relevant ^1Sigma_g,u^+ electronic states and their associated nonadiabatic radial couplings are calculated for internuclear distances between 0.5 and 50 a_0. Following a transformation into a strictly diabatic basis, these quantities enter into a set of coupled equations for the motion of the nuclei. Numerical solution of these equations allows the cross sections for scattering into the H(1)+H^*(n), n=1,2,3 channels to be calculated. In the present paper, results are reported for the collision energy region 0.001 to 100 eV, with special emphasis on the important energy region below 10 eV. The low temperature rate coefficient is obtained from a parametrization of the calculated neutralization cross section and is estimated to be valid in the range 10 to 10 000 K.

研究の動機と目的

• 最も単純なイオン-イオン反応である H⁺ + H⁻ → H(1) + H(n) のベンチマーク品質の量子力学的研究を提供し、理論的妥当性を高める。
• 低エネルギー実験的断面積（Moseley ら、1970）と先行理論的予測との乖離を解消する。特に、宇宙環境に特に関連する 0.001–10 eV のエネルギー範囲を対象とする。
• 散乱計算において、核の量子効果、電子の非断熱的結合、核の同一性（スピン統計）をきめ細かく取り入れる。
• 状態別および全中性化断面積を計算し、10–10,000 K の低温度範囲で有効な反応速度係数を導出する。これにより、宇宙化学的モデルに応用可能である。

提案手法

• すべての核および電子自由度（核スピンおよび同一性を含む）を完全に量子的取り扱う分子近接結合法を採用する。
• ab initio 電子構造法を用いて、0.5 から 50 a₀ の核間距離の範囲で、1Σg⁺ および 1Σu⁺ 電子状態の断熱的ポテンシャルエネルギー曲線および非断熱的径方向結合行列要素を計算する。
• 断熱表現を厳密なアディアバティック基底に変換し、連立核シュレーディンガー方程式の正確な解法を可能にする。
• 得られた連立微分方程式を数値的に解き、H(1) + H(n)（n=1,2,3）への中性化に伴う散乱断面積および断面積を求める。
• 同一粒子交換を適切に取り入れるため、正則（gerade）および反則（ungerade）対称性の寄与を核スピン統計に従って結合する。
• 計算された断面積をパラメータ化して、10–10,000 K の範囲で有効な低温度反応速度係数を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低エネルギー域（0.001–10 eV）における H⁺ + H⁻ 衝突の正確な状態分解能中性化断面積は何か。特に n=1,2,3 の H(n) 最終状態について。
• RQ2 非断熱的結合および核の量子効果は、この代表的なイオン-イオン反応における相互中性化ダイナミクスにどのように影響を与えるか。
• RQ3 Moseley ら（1970）の低エネルギー実験的断面積と理論的予測との間に生じる乖離の原因は何か。どちらが信頼性が高いと考えられるか。
• RQ4 核の同一性（スピン統計）の取り扱いが、特に低衝突エネルギー域において全断面積にどの程度の影響を与えるか。
• RQ5 この反応の低温度反応速度係数は何か。実験的および理論的推定値と比較するとどうなるか。

主な発見

• 計算された全中性化断面積は、Bates と Lewis（1955）、Fussen と Kubach（1986）、Eerden ら（1995）の先行理論的研究と、0.001–10 eV の範囲で良好な一致を示す。
• 本研究の結果は、Moseley ら（1970）が報告した実験的断面積と比較して、一貫して2〜3倍低い値を示しており、低エネルギー域での測定値に過大評価の可能性があることを示唆している。
• 数 eV 未満の衝突エネルギーでは、中性生成物の大部分が H(n=3) 最終状態に形成され、一般的な期待と一致する。
• 正則および反則対称性の寄与の重み付けは、低エネルギー域で断面積が小さい n=2 の生成にのみ顕著に現れる。
• 低温度反応速度係数はパラメータ化され、10–10,000 K の宇宙的関連範囲で有効であると推定されている。
• 核の同一性効果が全断面積に与える影響は、低エネルギー域では無視できるが、n=2 生成のわずかな寄与に限定的であることが確認された。