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Fragmentation of Small Multi-Electron Molecular Ions in Cold Electron Collisions

Stützel, Julia

German Title: Fragmentation kleiner Mehrelektronen-Molekülionen in kalten Elektronenstößen

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Abstract

The fragmentation of the small multi-electron molecular ions HF+, DF+ and D3O+ was investigated in slow electron collisions leading to dissociative recombination. Momentum spectroscopy of the collision products from stored beams of each ion species merged with an intense cold electron beam has been performed at the ion-storage ring TSR, Heidelberg, utilizing two different imaging detectors. For the first time, a rotationally and fine-structure resolved kinetic energy release spectrum of the DR process was measured. The unique structure of HF+ combined with an optimal control of the experimental parameters allowed to derive the dissociation energies of HF+ and DF+ with a precision sufficient to investigate the Born-Oppenheimer breakdown in the electronic ground states of the two isotopes. The measured kinetic energy release distribution for the different dissociation channels in the D3O+ DR yields information on the internal states of educt and products. In addition, a strongly asymmetric energy partitioning among the deuterium products of the three-body channel OD + D + D is observed for high kinetic energy releases, indicating a sequential decay via an excited water molecule. Including ab-initio calculated adiabatic potential energy surfaces, a mechanism describing the interrelated dissociation into D2O + D and OD + D + D is proposed.

Translation of abstract (German)

Der Aufbruch der kleinen Mehrelektronen-Molekülionen HF+, DF+ und D3O+ in dissoziativen Rekombinations(DR)-Prozessen mit kalten Elektronen wurde untersucht. Am Ionen-Speicherring TSR, Heidelberg, wurden die jeweiligen Ionenstrahlen mit einem kalten Elektronenstrahl hoher Intensität überlagert und die relativen Impulse der Aufbruchsfragmente mithilfe zweier bildgebender Detektoren gemessen. Zum ersten mal konnte ein rotation-und feinstrukturaufgelöstes Spektrum der im DR Prozeß freigesetzten kinetischen Energie gemessen werden. Die besondere Struktur von HF+ in Kombination mit der bestmöglichen Kontrolle der experimentellen Bedingungen ermöglichte die Bestimmung der Dissoziationsenergien von HF+ und DF+ mit einer Präzision, die ausreichend ist, um den Zusammenbruch der Born-Oppenheimer Näherung in den elektronischen Grundzuständen der zwei Isotope beoachten zu können. Aus der gemessenen Verteilung der in den unterschiedlichen Zerfallskanälen des D3O+ freigesetzten Energie konnten Hinweise über die Anregungszustände sowohl des Edukts als auch der Produkte gewonnen werden. Für die Ereignisse mit großer freigesetzer Energie wurde desweiteren im Dreikörperkanal OD + D + D eine deutlich asymmetrische Energieverteilung zwischen den Deuteriumfragmenten beobachtet. Dies weist auf einen sequentiellen Zerfall über den Zwischenzustand eines angeregten Wassermoleküls hin. Mithilfe von ab-inito berechneten adiabatischen Potentialflächen konnte ein Mechanismus vorgestellt werden, welcher den Aufbruch in die beiden Kanäle beschreibt.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Wolf, Prof. Dr. Andreas
Date of thesis defense: 19 January 2011
Date Deposited: 08 Feb 2011 12:30
Date: 2010
Faculties / Institutes: Service facilities > Max-Planck-Institute allgemein > MPI for Nuclear Physics
Subjects: 530 Physics
Controlled Keywords: Molekülion, Dissoziative Rekombination, Aufbruchreaktion, Isotopieeffekt, Zerfallsprodukt, Dalitz-Plot, Zwischenzustand, Kinetische Energie
Uncontrolled Keywords: Freigesetzte kinetische Energie , Zusammenbruch der Born-Oppenheimer Näherung , kalte Elektronenstöße , Hydronium , sequentieller Zerfallkinetic energy release , Born-Oppenheimer breakdown , cold electron collisions , hydronium , sequential decay
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