負イオンの光脱離ダイナミクス〜宇宙線と惑星衝突のシミュレーション

原子、原 子団ま たは分子 に1価 また はそれ以上 の電 子が付着 し負 の電荷を持 った粒子が負 イオ ンで ある。負イオンが光脱離を起こして中性原子に戻るプロセスは、負 イオ ン中の中性 粒子 と最 も弱 く結合 してい る電 子 の 結 合 エ ネル ギー電子親和力(EA)を知る実験的手法である。そのほかにも負イオンが中性原子に戻るとき放出される電子が電子源としてふるまう。また最近、負イオンの光脱離は高エネルギーの宇宙線の惑星への衝突による大気への影響でも興味を持たれている。

宇宙線と惑星との衝突

宇宙線と衝突することにより、 エネルギーを拡散、吸収していた大気分子の密度が減少すし、大気の変化は地球環境に大きな影響を持つ。一種の電子銃として機能する負イオンの光脱離は惑星へ宇宙線衝突でも影響が大きいため、そのモデルとして移動表面近傍の光脱離が注目されている。

魯東大学の研究チームは、移動表面近傍での光子による負イオンから電子脱離をモデル化し、宇宙線が惑星と衝突してエネルギーを失う過程を調べた。この研究では移動表面近傍の負イオンの光脱離動力学を考察し、移動表面によって誘起された負イオンの光脱離断面積の解析式を得た。(Wang et al., European Phys. Journal D online Jan. 17, 2019)。

 

移動表面近傍の光脱離

研究チームは光脱離を記述する数式と計算機シミュレーションソフトを開発して、塩化物(Cl-)および水素(H-)イオンのような短距離エネルギーポテンシャルによってゆるく束縛された1個の電子から構成される負イオンの光脱離を調べた。

電子(波)がイオンの核に戻ることによって、外部電子が新しい電子波と干渉して干渉縞が起き、移動表面の速度がある閾値に達すると、光脱離が顕著に起こることがわかり、また塩素イオン(Cl-)の光脱離に対する移動面の効果は、水素イオン(H-)と比較してそれほど顕著ではないことを見出した(下図)。下図は提案された解析式で計算された塩素イオンと水素イオンの光脱離断面積。

 

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Credit: European Phys. Journal D online Jan. 17, 2019

 

特殊な負イオンの光脱離の例としては、電子と電子の反粒子である陽電子が束縛しあった「ポジトロニウム」にもう1個の電子と束縛したポジトロニウム負イオンがある。ポジトロニウム負イオンにレーザーを照射すると、電子と陽電子が束縛しあったままの状態のポジトロニウムと電子1個に分離する。

 

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