Общие импульсные модели рассеяния молекул на твердой поверхности без тангенциальных сил


Просмотр статьи
PDF, 1,8 МБ

General impulsive models of scattering of molecules from a solid surface without tangential forces

We propose a general impulsive model for scattering of a system of atoms or ions from a flat solid surface without tangential forces (that is, forces parallel to the surface). It is assumed within the framework of this model that each individual encounter of an atom with the surface is a series of elastic hits of the atom against surface pseudoparticles, the hits instantly following each other. A distinctive feature of the model is that to each atom, one assigns two infinite sequences of masses of pseudoparticles. Criteria for both finiteness and infinity of series of elastic hits are formulated, based on the masses of the pseudoparticles and the mass of the atom. The model is a far-reaching generalization of the well-known “hard-cube model” for scattering of atoms from a solid surface. We illustrate (by some simplest examples related to scattering of potassium iodide molecules) an application of the correlation analysis to the study of the dependence of the dynamical characteristics of the scattering on the masses of the surface pseudoparticles. The absence of tangential forces seems to be a substantial limitation of the model (for instance, the recent experimental data on scattering of KI from a diamond surface indicate that tangential forces play a significant role in this process).

scattering of molecules from a surface, impulsive model, surface pseudoparticles, potassium iodide, dissociation, correlation analysis

DOI: http://doi.org/10.33257/PhChGD.20.1.793

Владимир Михайлович Азриель, Вячеслав Михайлович Акимов, Любовь Ивановна Колесникова, Лев Юрьевич Русин, Михаил Борисович Севрюк

Том 20, выпуск 1, 2019 год



Предложена общая импульсная модель рассеяния системы атомов или ионов на плоской твердой поверхности без тангенциальных сил (т. е. сил, параллельных поверхности). В рамках этой модели предполагается, что каждое отдельное соударение атома с поверхностью представляет собой серию мгновенно следующих друг за другом упругих ударов атома об условные частицы поверхности. Отличительной особенностью модели является то, что каждому атому ставятся в соответствие две бесконечные последовательности масс условных частиц. Сформулированы критерии как конечности, так и бесконечности серий упругих ударов, исходя из масс условных частиц и массы атома. Модель является далеким обобщением известной «модели жестких кубов» рассеяния атомов на твердой поверхности. Проиллюстрировано (на простейших примерах, связанных с рассеянием молекул иодида калия) применение корреляционного анализа к изучению зависимости динамических характеристик рассеяния от масс условных частиц поверхности. Отсутствие тангенциальных сил представляется существенным ограничением модели (например, недавние экспериментальные данные по рассеянию KI на поверхности алмаза показывают, что в этом процессе тангенциальные силы играют значительную роль).

рассеяние молекул на поверхности, импульсная модель, условные частицы поверхности, иодид калия, диссоциация, корреляционный анализ

DOI: http://doi.org/10.33257/PhChGD.20.1.793

Владимир Михайлович Азриель, Вячеслав Михайлович Акимов, Любовь Ивановна Колесникова, Лев Юрьевич Русин, Михаил Борисович Севрюк

Том 20, выпуск 1, 2019 год



1. Pérez-Ríos J., Ragole S., Wang J., Greene C.H. Comparison of classical and quantal calculations of helium three-body recombination // J. Chem. Phys. 2014. V. 140. № 4. Paper 044307 (12 p.).
2. Ермолова Е.В., Русин Л.Ю., Севрюк М.Б. Импульсная модель прямой трехтельной рекомби-нации тяжелых ионов // Хим. физика. 2014. Т. 33. № 11. С. 12–25.
3. Ермолова Е.В., Русин Л.Ю., Севрюк М.Б. Модель жестких сфер в теории прямой трехтельной рекомбинации ионов. В издании: На стыке наук. Физико-химическая серия. III Международ-ная научная Интернет-конференция (29 января 2015 года). Материалы конференции в двух томах. Сервис виртуальных конференций Pax Grid. Казань: ИП Синяев Д.Н., 2015. Том I. С. 111–121.
4. Русин Л.Ю., Севрюк М.Б. Простая импульсная модель прямой трехтельной рекомбинации и функция эффективности третьего тела // Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2016. Т. 17, вып. 3. http://chemphys.edu.ru/issues/2016-17-3/articles/667/ (22 с).
5. Маергойз А.И., Никитин Е.Е., Русин Л.Ю. Динамика образования ионов при столкновитель-ной диссоциации двухатомных молекул. В книге: Химия плазмы. Вып. 12. Под ред. Б.М. Смирнова. М.: Энергоатомиздат, 1985. С. 3–55.
6. Ленин Л.В., Русин Л.Ю., Севрюк М.Б. Процессы диссоциации и комплексообразования при столкновениях молекул галогенидов цезия с атомами инертных газов и ртути: импульсная мо-дель. Деп. в ВИНИТИ 10.12.1991, № 4561-В91. 189 с.
7. Севрюк М.Б. Динамический анализ атомно-молекулярных столкновений. Дисс. на соискание ученой степени докт. физ.-мат. наук. М.: ИНЭПХФ РАН, 2003. 312 с.
8. Русин Л.Ю., Севрюк М.Б. Импульсная модель в теории атомно-молекулярных столкновений: аннотированная библиография вплоть до 1991 года. Отчет в ЦИТиС. Регистрационный номер 215100170008. М.: ИНЭПХФ РАН им. В.Л. Тальрозе, 2015. 108 с.
9. Азриель В.М., Акимов В.М., Колесникова Л.И., Русин Л.Ю., Севрюк М.Б., Хмельницкий Р.А. Диссоциативная ионизация молекул KI на поверхности графита // Наука, техника и образова-ние. 2018. № 3 (44). С. 13–18.
10. Азриель В.М., Акимов В.М., Колесникова Л.И., Русин Л.Ю., Севрюк М.Б. Импульсная модель диссоциации двухатомных молекул с ионной связью на поверхности графита // Проблемы со-временной науки и образования. 2018. № 4 (124). С. 48–56.
11. Азриель В.М., Акимов В.М., Ермолова Е.В., Колесникова Л.И., Русин Л.Ю., Севрюк М.Б. Диссоциация иодида калия на поверхности графита в рамках импульсной модели // Хим. фи-зика. 2018. Т. 37. № 11. С. 75–87.
12. Logan R.M., Stickney R.E. Simple classical model for the scattering of gas atoms from a solid sur-face // J. Chem. Phys. 1966. V. 44. № 1. P. 195–201.
13. Stickney R.E. Atomic and molecular scattering from solid surfaces. In: Advances in Atomic and Mo-lecular Physics. Vol. 3. Eds. D.R. Bates, I. Estermann. N. Y.: Academic Press, 1967. P. 143–204.
14. Goodman F.O. On the theory of accommodation coefficients—IV. Simple distribution function the-ory of gas–solid interaction systems // J. Phys. Chem. Solids. 1965. V. 26. № 1. P. 85–105.
15. Mateljevic N., Kerwin J., Roy S., Schmidt J.R., Tully J.C. Accommodation of gases at rough sur-faces // J. Phys. Chem. C. 2009. V. 113. № 6. P. 2360–2367.
16. Madix R.J., Korus R.A. Trapping effects in gas–solid scattering // J. Phys. Chem. Solids. 1968. V. 29. № 9. P. 1531–1538.
17. Grimmelmann E.K., Tully J.C., Cardillo M.J. Hard-cube model analysis of gas–surface energy ac-commodation // J. Chem. Phys. 1980. V. 72. № 2. P. 1039–1043.
18. Logan R.M., Keck J.C. Classical theory for the interaction of gas atoms with solid surfaces // J. Chem. Phys. 1968. V. 49. № 2. P. 860–876.
19. Steinbrüchel C. The hard-spheroid model for gas–surface interactions // Chem. Phys. Lett. 1980. V. 76. № 1. P. 58–61.
20. Steinbrüchel C. Gas–surface scattering distributions according to the hard-spheroid model // Surface Science. 1982. V. 115. № 2. P. 247–258.
21. Tully J.C. Washboard model of gas–surface scattering // J. Chem. Phys. 1990. V. 92. № 1. P. 680–686.
22. Kummel A.C., Sitz G.O., Zare R.N., Tully J.C. Direct inelastic scattering of from Ag(111). III. Normal incident // J. Chem. Phys. 1988. V. 89. № 11. P. 6947–6955.
23. Xia L. Q., Engstrom J.R. The role of surface corrugation in direct translationally activated dissocia-tive adsorption // J. Chem. Phys. 1994. V. 101. № 6. P. 5329–5342.
24. Yan T., Hase W.L., Tully J.C. A washboard with moment of inertia model of gas–surface scattering // J. Chem. Phys. 2004. V. 120. № 2. P. 1031–1043.
25. Doll J.D. Simple classical model for the scattering of diatomic molecules from a solid surface // J. Chem. Phys. 1973. V. 59. № 3. P. 1038–1042.
26. Sitz G.O., Kummel A.C., Zare R.N., Tully J.C. Direct inelastic scattering of from Ag(111). II. Orientation // J. Chem. Phys. 1988. V. 89. № 4. P. 2572– 2582.
27. Nichols W.L., Weare J.H. Homonuclear diatomic scattering from solid surfaces: A hard-cube model // J. Chem. Phys. 1975. V. 62. № 9. P. 3754–3762.
28. Nichols W.L., Weare J.H. Rotational energy distributions for homonuclear diatomic beams scattered from solid surfaces: A hard-cube model // J. Chem. Phys. 1977. V. 66. № 3. P. 1075–1078.
29. Nichols W.L., Weare J.H. Heteronuclear diatomic scattering from solid surfaces: A hard-cube model // J. Chem. Phys. 1975. V. 63. № 1. P. 379–383.
30. Ionov S.I., Bernstein R.B. Hard-cube analysis of the steric effect in molecule–surface scattering // J. Chem. Phys. 1991. V. 94. № 2. P. 1564–1571.
31. McClure J.D. Atomic and molecular scattering from solids. II. Comparison of classical scattering models in relation to experiment // J. Chem. Phys. 1969. V. 51. № 5. P. 1687–1700.
32. Goodman F.O. Review of the theory of the scattering of gas atoms by solid surfaces // Surface Sci-ence. 1971. V. 26. № 1. P. 327–362.
33. Somorjai G.A., Brumbach S.B. The interaction of molecular beams with solid surfaces // CRC Criti-cal Reviews in Solid State Sciences. 1973. V. 4. № 1–4. P. 429–454.
34. Goodman F.O. Thermal accommodation // Progr. Surf. Sci. 1974. V. 5. № 3. P. 261–375.
35. Toennies J.P. Scattering of molecular beams from surfaces // Appl. Phys. 1974. V. 3. № 2. P. 91–114.
36. Weinberg W.H. Molecular beam scattering from solid surfaces // Adv. Colloid Interface Science. 1975. V. 4. № 4. P. 301–347.
37. Gerber R.B. Molecular scattering from surfaces: theoretical methods and results // Chem. Rev. 1987. V. 87. № 1. P. 29–79.
38. Kleyn A.W. Basic mechanisms in atom–surface interactions. In: Handbook of Surface Science. Vol. 3. Eds. E. Hasselbrink, B.I. Lundqvist. Amsterdam: Elsevier Science, 2008. Ch. 2, P. 29–52.
39. Goodman F.O. Quantum mechanical basis for the cubes models in gas–surface scattering theory, and an experimental test // J. Chem. Phys. 1970. V. 53. № 6. P. 2281–2283.
40. Ewing J.J., Milstein R., Berry R.S. Curve crossing in collisional dissociation of alkali halide mole-cules // J. Chem. Phys. 1971. V. 54. № 4. P. 1752–1760.
41. Brumer P. Combination rules and correlations in repulsive potential parameters for alkali halide dia-tomics // Phys. Rev. A. 1974. V. 10. № 1. P. 1–8.
42. Rittner E.S. Binding energy and dipole moment of alkali halide molecules // J. Chem. Phys. 1951. V. 19. № 8. P. 1030–1035.
43. Brumer P., Karplus M. Perturbation theory and ionic models for alkali halide systems. I. Diatomics // J. Chem. Phys. 1973. V. 58. № 9. P. 3903–3918.
44. Patil S.H. Interionic potentials in alkali halides // J. Chem. Phys. 1987. V. 86. № 1. P. 313–320.
45. Русин Л.Ю., Севрюк М.Б. Аннотированная библиография статей по потенциалам взаимодей-ствия в молекулах галогенидов щелочных металлов и по потенциалам взаимодействия атомов инертных газов с катионами щелочных металлов, анионами галогенов и атомами ртути. Отчет в ЦИТиС. Регистрационный номер АААА-Б16-216092340017-7. М.: ИНЭПХФ РАН им. В.Л. Тальрозе, 2016. 276 с.
46. Кнунянц И.Л. (гл. ред.). Химическая энциклопедия. Т. 1. М.: Советская энциклопедия, 1988. 624 с.
47. Зефиров Н.С. (гл. ред.). Химическая энциклопедия. Т. 5. М.: Большая Российская энциклопе-дия, 1998. 784 с.
48. Русин Л.Ю., Севрюк М.Б., Азриель В.М., Акимов В.М., Кабанов Д.Б. Сравнительный анализ моделирования столкновительно-индуцированной диссоциации в системе Xe + CsBr с двумя разными потенциалами взаимодействия Xe–Br–. Отчет в ЦИТиС. Регистрационный номер 216032240003. М.: ИНЭПХФ РАН им. В.Л. Тальрозе, 2016. 70 с.
49. Burroughs J.A., Wainhaus S.B., Hanley L. Impulsive excitation of and during sur-face-induced dissociation at organic multilayers // J. Chem. Phys. 1995. V. 103. № 15. P. 6706–6715.
50. Wilson K.R., Herschbach D.R. Molecular beam kinetics: Transition between rebound and stripping mechanisms in reactions of alkali atoms with polyhalide molecules // J. Chem. Phys. 1968. V. 49. № 6. P. 2676–2683.
51. Ван дер Варден Б.Л. Математическая статистика. М.: ИЛ, 1960. 435 с. (Van der Waerden B.L. Mathematische Statistik. Berlin: Springer, 1957. ix+360 S.)
52. Крамер Г. Математические методы статистики. М.: Мир, 1975. 648 с. (Cramér H. Mathematical Methods of Statistics. Princeton: Princeton Univ. Press, 1946. xvi+575 p.)
53. Благовещенский Ю.Н. Тайны корреляционных связей в статистике. М.: Научная книга. ИНФРА М («Библиотека Солев»), 2009. 158 с.
54. Лагутин М.Б. Наглядная математическая статистика. М.: Бином. Лаборатория знаний, 2011. 472 с.
55. Русин Л.Ю., Севрюк М.Б., Тоеннес Я.П. Эффективные процедуры расчета корреляционных связей методом квазиклассических траекторий // Хим. физика. 2005. Т. 24. № 3. С. 3–11.
56. Русин Л.Ю., Севрюк М.Б., Колесникова Л.И. Корреляционный анализ столкновительной дис-социации пары двухатомных молекул с ионной связью. Отчет во ВНТИЦ. Инвентарный но-мер 02200900518. М.: ИНЭПХФ РАН, 2008. 134 с.
57. Азриель В.М., Акимов В.М., Русин Л.Ю., Севрюк М.Б. Оптимизация параметров поверхности потенциальной энергии системы CsCl + RbI с помощью линейного регрессионного анализа // Хим. физика. 2010. Т. 29. № 5. С. 3–19.
58. Kuščer I. Reciprocity in scattering of gas molecules by surfaces // Surface Science. 1971. V. 25. № 2. P. 225–237.
59. Cercignani C. Scattering kernels for gas–surface interactions // Transport Theory Stat. Phys. 1972. V. 2. № 1. P. 27–53.
60. Cercignani C. The Boltzmann Equation and Its Applications. New York: Springer Science, 1988. xiii+455 p.
61. Liang T., Li Q., Ye W. A physical-based gas–surface interaction model for rarefied gas flow simulation // J. Comput. Phys. 2018. V. 352. P. 105–122.
62. Maxwell J.C. On stresses in rarified gases arising from inequalities of temperature // Philos. Trans. R. Soc. London. 1879. V. 170. P. 231–256.
63. Epstein M. A model of the wall boundary condition in kinetic theory // AIAA J. 1967. V. 5. № 10. P. 1797–1800.
64. Cercignani C., Lampis M. Kinetic models for gas–surface interactions // Transport Theory Stat. Phys. 1971. V. 1. № 2. P. 101–114.
65. Сажин О.В., Кулёв А.Н. Программный комплекс для тестирования способа моделирования рассеяния газовых молекул поверхностью // Матем. моделирование. 2006. Т. 18. № 12. С. 107–114. Поправка: 2007. Т. 19. № 5. С. 127.
66. Sazhin O.V., Kulev A.N., Borisov S.F., Gimelshein S. Numerical analysis of gas–surface scattering effect on thermal transpiration in the free molecular regime // Vacuum. 2007. V. 82. № 1. P. 20–29.
67. Ковалёв В.Л., Якунчиков А.Н. Анализ моделей рассеяния на основе результатов траекторных расчетов // Изв. РАН. МЖГ. 2012. № 5. С. 80–87.
68. Yakunchikov A.N., Kovalev V.L., Utyuzhnikov S.V. Analysis of gas–surface scattering models based on computational molecular dynamics // Chem. Phys. Lett. 2012. V. 554. P. 225–230.
69. Ковалёв В.Л., Якунчиков А.Н. Исследование рассеяния газа на поверхности с помощью молекулярно-динамического моделирования и сравнение результатов с теоретическими моделями //Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2013. Т. 14, вып. 3. http://chemphys.edu.ru/issues/2013-14-3/articles/415/ (6 с.).
70. Liang T., Li Q., Ye W. Performance evaluation of Maxwell and Cercignani–Lampis gas–wall interaction models in the modeling of thermally driven rarefied gas transport // Phys. Rev. E. 2013. V. 88. № 1. Paper 013009 (11 p.).
71. Bärwinkel K., Rottmann L. A model for irreversible scattering of gas atoms on a metal surface // Surface Science. 1993. V. 287/288. Part 1. P. 35–38.