تآثر الفوتونات مع المادة المؤينة

تاثر فوتونات مع ماده موينه

interaction of photons with ionized matter -

تآثر الفوتونات مع المادة المؤينة

ظاهرة التأين وأنواعها

تآثر الليزر مع جزيئات متعددة الذرات (تفكك أم تأين dissociation or ionization)

أنس الخوام

ازداد الاهتمام بظاهرة التآثر بين الفوتونات والمادة interaction of photons with ionized matter منذ اكتشاف الليزر في ستينيات القرن الماضي، وكان من أهم نتائج تلك الدراسات محاولة فهم الآليات الأولية والأساسية لتبخير المادة وتشكيل البلازما. ويعدّ تآثر الليزر مع سطح المادة الصلبة وتشكل البلازما مثالاً نموذجياً عن تآثر الفوتونات مع المادة بأطوارها السائلة والغازية والصلبة، كما يعدّ مظهراً مميّزاً لما يحدث في المجال اللاخطّي لتفاعل الضوء المركّز مع المادة.

يمكن عند تآثر الحزمة الليزرية مع السطح الصلب أن تتحول الطاقة الكهرطيسية إلى طاقة إلكترونية أو حرارية أو كيميائية في سطح الهدف، ونتيجة لذلك يتم اقتلاع حزمة من جسيمات مادة السطح تكون على شكل ذرات معتدلة أو جزيئات أو إيونات سالبة/موجبة أو ذرات مجتمعة (عناقيد) clusters مشكلة غمامة غازية تدعى غمامة البلازما plume أو البلازما المحدثة بالليزر (الشكل 1).

الشكل (1) صورة حقيقية لغمامة البلازما المحدثة بالليزر.

تعتمد الفكرة الأساسية لهذه التقنية على محرقة (تبئير) focusing نبضات ليزرية ذات كثافة استطاعة عالية تصل إلى عشرات ومئات الغيغاواط على مربع السنتيمتر في مساحة صغيرة من الهدف (سطح المادة) لتبخير كمية قليلة من مادته، بحيث يمكن أن تكون كثافة الاستطاعة الليزرية الممتصة من قبل المادة كافية لكسر روابطها الكيميائية، ممّا يؤدي إلى تولد غاز ذي ضغط مرتفع بالجوار القريب من السطح. تدخل الجسيمات المتولدة في تصادمات عديدة وفي منطقة مركّزة بالقرب من سطح الهدف تدعى طبقة كندسن Knudsen layer ذات أبعاد مماثلة لأبعاد بقعة الليزر عند الهدف وبثخانة تعادل عدة أضعاف المسار الحر الوسطي للجسيمات المقتلعة، تحتوي هذه الطبقة ذات الكثافة العالية على نحو رئيسي على إلكترونات وإيونات وذرات وجزيئات، ويتم تأين جسيمات هذه الطبقة عن طريق تصادماتها وكذلك بامتصاص جزئي أو كامل لطاقة الفوتونات مشكِّلة البلازما، ويمكن أن تكون هذه الإيونات أحادية أو ثنائية أو ثلاثية التأين، وذلك بحسب طاقة الليزر المستخدم. وتؤدي التصادمات العديدة في هذه الطبقة إلى توازنها حرارياً، ونتيجة لتدّرج الضغط تتحرر الجسيمات تاركة سطح الهدف باتجاه معامد له (الحركية في بعد واحد1D)، وتستمر خلال انتشارها بامتصاص كمية من طاقة الفوتونات الواردة لتشكِّل غمامة من الجسيمات (الحركية في ثلاثة أبعاد 3D) ومولّدة البلازما؛ حيث تبدأ مرحلة انتشار البلازما، وفيها يتم التآثر بين الحزمة الليزرية وهذه الغمامة حيث يمكن أن تمتص جزءاً من طاقة الحزمة الليزرية، ويتم الإصدار الضوئي من البلازما التي ما تلبث أن تبدأ بالبرودة بفقدها الإشعاع، وربما تتحد هذه الإيونات مع الإلكترونات من جديد لتشكيل ذرات معتدلة، كما يمكن أن تتحد الذرات بعضها مع بعض لتشكيل جزيئات وعناقيد clusters وبذلك تفنى البلازما. يوضح الشكل (2) مراحل التآثر بين أشعة الليزر والهدف الصلب وتوليد البلازما المحدثة بالليزر وانتشارها.

الشكل (2) مراحل التآثر بين أشعة الليزر والهدف الصلب، وتوليد البلازما المحدثة بالليزر وانتشارها. 1- بدء وصول حزمة الليزر (LB) سطح الهدف. 2- امتصاص ذرات السطح لطاقة الفوتونات وتشكل طبقة كندسن. 3- تشكل كثافة عالية من إلكترونات وإيونات وغيرها. 4- تشكل البلازما والغمامة. 5- انتشار البلازما وتآثرها مع حزمة الليزر. 6- إصدار ضوئي وتوازن حراري. 7- اكتمال انتشار الغمامة. 8- تشتت البلازما.

ظاهرة التأين وأنواعها

بُحث التآثر بين الضوء والمادة قبل الليزر كاضطراب صغير في منظومة الضوء والمادة، والسبب في ذلك هو أن القوى التي تربط الذرة أو الجزيء مع مركباتها كبيرة جداً مقارنة بالقوى التي يسببها الضوء في الحياة اليومية وفي الوسط المحيط؛ ففي حالة الذرات تُشكِّل الإلكترونات سويات طاقة رابطة في الكمون الناتج من تجاذبها الكهربائي مع النواة مشكلة ذرة مستقرة. وتُقدَّر قيمة الحقل الكهربائي في ذرة الهدروجين من أجل المسافة الأكثر احتمالاً بين الإلكترون والنواة بـ ، وقد كانت تُعد أكبر بمرتبة من الحقل الكهربائي للضوء المتوفر في المخابر؛ إلا أن التقدم في علوم الليزر جعل الحصول على مثل هذه الحقول ممكناً، بحيث تؤدي محرقة تبئير كمية كبيرة من الطاقة خلال زمن نبضة قصيرة إلى الحصول على كثافات استطاعة ليزرية عالية جداً، وبذلك تكون مركبة الحقل الكهربائي من نبضة الليزر الكهرطيسية مساوية أو حتى ذات قيمة أكبر من الحقول الذرية. وتساوي كثافة الاستطاعة الليزرية المطلوبة لحصول الحقل الكهربائي الذري المذكور. ويمكن الآن الحصول على كثافات استطاعة ليزرية كهذه باستخدام ليزرات ذات نبضات قصيرة ومن خلال القيام بتبئيرها في مساحات صغيرة جداً.

لا يمكن عدّ الحقل الناتج من الليزر مهملاً، وبالتالي تغدو نظرية الاضطراب غير كافية لتفسير الظواهر الفيزيائية المتولدة، ولابد عندئذ من الاستعانة بالحسابات المكملة لتأثيرات الحقل الكهربائي في التوابع الموجية الذرية والجزيئية وحل الهاملتوني Hamiltonian الكامل بعد تطوير وسائل مناسبة لحل معادلة شرودنغر Schrodinger باستخدام طرائق غير اضطرابية. إذ كان بعض هذه الوسائل ناجعاً في تفسير بعض الملامح العامة الكمية والكيفية لتآثر المادة مع الحقل الضوئي الشديد، إلا أنه بقي الكثير مما يجب العمل عليه لتفسير كلّ الظواهر المرتبطة بهذا التآثر؛ إذ يتشوه الكُمون الذري ويلاحظ أنه بزيادة شدات الحقل تصبح حالات الربط الإلكترونية شبه مستقرة، ثم لا تلبث أن تنكسر الروابط مؤدية إلى تأين الذرة، كما يمكن للحقول الشديدة أن تؤدي إلى التأين المتعدد للذرات.

لا يُعالج الضوء عندئذ كأمواج وإنما على شكل تفاعل مجموعات من كم محدد من الطاقة (فوتونات) ؛ حيث ثابتة بلانك المختزلة و التواتر الزاوي. ويحدث امتصاص بعضها أو إصدارها إذا توافقت طاقاتها مع الفروق بين مستويات الطاقة، وقد اعتُمدت هذه الخاصة أساساً للعديد من التقنيات الطيفية المستخدمة في دراسة الذرات والجزيئات. يمكن أن تتم هذه العمليات من خلال استخدام شدات ضوئية ضعيفة (تدفق فوتوني ضعيف)، وعندها توصَّف من خلال الإصدار أو الامتصاص لفوتون وحيد. إن الخواص الذرية أو الجرمية للمادة - تحت هذه الظروف- إما أن تكون مستقلة عن شدة الضوء مثل حالة (الإثارة أو قرينة الانكسار) وإما أن تتبع بشكل خطي شدّة الضوء الوارد كما هي في حالة الامتصاص أو عزم ثنائي القطب المحثوث stimulated dipole moment. أما تأين الذرات أو تفكك الجزيئات فيتطلب كمّاً من الطاقة أكبر من طاقة التأين للحالة قيد الدراسة بحيث يتحول الفائض من الطاقة إلى طاقة حركية تنقل بوساطة الإلكترونات أو الشدوف fragments المقتلعة من المادة. ومع ازدياد شدة الضوء الوارد تصبح هذه العوامل تابعةً لشدته وتبدأ عندها منظومة الظواهر اللاخطية؛ ففي حالة التدفق الفوتوني الغزير يسمح للذرات والجزيئات امتصاص أكثر من فوتون واحد لإجراء الانتقالات. وبالتالي يمكن أن يُصادف في تآثر المادة مع الحقول الشديدة: التأين المتعدد multiple ionization والتأين متعدد الفوتونات multiphoton ionization والتأين متعدد الفوتونات التجاوبي المحثوث resonance enhanced multiphoton ionization والتأين النفقي tunnel ionization؛ إذ يمكن أن يتم امتصاص أكثر من فوتون. وإذا جرى امتصاص فوتونات عددها n فإن الانتقالات التي تتطلب طاقة أصغر أو تساوي تصبح مسموحة من وجهة نظر الطاقة، كما أن قواعد الاصطفاء الخاصة بثنائي القطب التي كانت مطبقة في حالة انتقالات الطاقة بفوتون وحيد لا تعدّ صالحة في حالة الحقول الشديدة، والقنوات التي كانت ممنوعة في حالة الحقول الضعيفة قد تصبح انتقالات مسموحة في النظام متعدد الفوتونات. ولهذا يرتبط احتمال الامتصاص متعدد الفوتونات بعدد الفوتونات الواردة على الذرة أو الجزيء في واحدة الزمن، كما يُحكم زمن الحياة للنظام بعد امتصاص الفوتون بمبدأ الارتياب (الشك) لهايزنبرغ Heisenberg uncertainty principle بحسب العلاقة (1):

حيث هو الارتياب في طاقة الحالة بعد امتصاص الفوتون، وهي كبيرة جداً من أجل الحالة الافتراضية، وتكون بالتالي صغيرة. كما أن امتصاص فوتون ثان يعتمد عندئذٍ على احتمال وصوله خلال الزمن بحيث تستطيع الجملة عمل انتقال إلى سوية امتصاص فوتونين. بصورة مشابهة يعتمد امتصاص الفوتون التالي على وصول الفوتون الثالث قبل فقد الإثارة للذرة أو الجزيء، وعندها يكون احتمال امتصاص فوتونات عددها n متناسباً مع ؛ إذ إن Ι هي شدة الحقل الليزري الوارد الذي يقابل عدد الفوتونات في واحدة الزمن وفي واحدة المساحة.

يبين الشكل (3) مخطط تأين وحيد ومتعدد الفوتونات ومتعدد الفوتونات التجاوبي المحثوث، والذي يتم عبر سوية متوسطة (موضحة بالخطوط المنقطة) وتجاوباً لفوتونات عددها m مما يدل على أن الحالة التجاوبية لفوتونات عددها m تعزز معدل التأين وتستمر مدة أطول من الحالات الافتراضية virtual غير التجاوبية.

الشكل (3) مخطط تأين وحيد ومتعدد الفوتونات التجاوبي المحثوث.

أيضاً إذا كان الحقل الخارجي المطبق قوياً كفايةً؛ فإن سويات الطاقة المستقرة مع عدم وجود حقل يمكن أن تصبح ذات طاقة أخفض من القيمة المقاربة للكمون. لذلك يمكن عندها لإلكترون ربط أن يعبر نفقياً tunneling خلال حاجز الكمون مؤدياً بالنتيجة إلى تأين الذرة أو الجزيء وتدعى عندها العملية بالتأين النفقي. وبتطبيق حقول قوية أكثر ينخفض حاجز الكمون كفايةً على نحو يسمح بالتأين فوق حاجز الكمون. ونظراً لكون الحقول جيبية متغيرة سيؤدي ذلك إلى أن يصبح الحاجز المانع للتأين أخفض من أجل مدة نصف دور فقط ، وهذا يعني ضمناً أن الإلكترونات التي يمكنها الانتقال خلال زمن أقصر من مقلوب تواتر الأشعة تستطيع حصرياً العبور النفقي للتأين، وبالتالي تعدّ الأشعة منخفضة التواتر وعالية الشدة ملائمة لعمليات التأين النفقي.

من جهة أخرى يتطلب التأين متعدد الفوتونات أن تمتلك الفوتونات الفردية طاقة عالية، الأمر الذي يتوافق على نحو أكبر مع الأشعة الليزرية ذات التواتر الأعلى. ويُعرَّف مجالان مختلفان من التواترات الطيفية تكون فيهما إحدى الآليتين: التأين النفقي أو التأين متعدد الفوتونات مسيطرةً وفعالةً. ومن أجل تعريف وسيلة قياس كمية تمكن من التمييز بين الآليتين؛ اقترح الفيزيائي الروسي كيلديش Keldysh وسيطاً γ كظوماًadiabatic ليكون مؤشراً واضحاً ومحدداً على حدوث إحدى الآليتين ويعطى بـالعلاقة (2):

حيث تواتر الحقل الليزري و طاقة التأين في حالة الحقل الصفري وE شدة الحقل الكهربائي المولد بواسطة الليزر و كتلة الإلكترون وe شحنة الإلكترون. تشير القيم الكبيرة له () إلى آلية التأين المتعدد؛ في حين تدل القيمة () على آلية التأين النفقي.

تآثر الليزر مع جزيئات متعددة الذرات (تفكك أم تأين dissociation or ionization):

تعدّ ظاهرة التأين عملية مشتركة في الأنظمة الذرية والجزيئية جميعها؛ في حين تبقى عمليات التفكك حصريةً على الأنظمة الجزيئية. يتبع الاستقرار الجزيئي على نحو كبير للتوازن بين قوى الجذب والدفع بين الإلكترونات ونوى الذرات التي تشكل الجزيء، ويمكن تقسيم نتائج التآثر مع الجزيئات إلى ثلاث حالات: المستقرة، غير المستقرة، شبه المستقرة.

يمكن فهم آليات التفكك للمنظومات الجزيئية ودراستها وفق شكل منحنيات كمونها، حيث تتوضح فيها سطوح الكمون الجزيئية خلال مرحلة التأين المتعدد للجزيء، وبذلك فإن الإلكترونات الرابطة للجزيء تُقتلع منه وتصبح عندها قوى التدافع الكولونية هي المسيطرة. ولابد من الإشارة إلى أن الانتقال من حالة الربط إلى حالة اللاربط لا يتم على نحو مفاجئ بل يمر عبر حالات شبه مستقرة ووجود نهايات صغرى موضعية، لا تلبث هذه الحالات الجزيئية شبه المستقرة أن تتفكك على نحوٍ مؤكد لكنها يمكن أن تبقى على حالتها فترات قصيرة من الزمن.

تظهر أهمية خاصة في حالة الجزيئات، بشأن معرفة توجيه المحور النووي البيني internuclear axis؛ لأنه يؤدي دوراً مهماً في آليات التأين والتفكك للجزيء وعلاقته بجهة الحقل الكهربائي المطبق. ونظراً لأن طبيعة تشوهات الكمون مختلفة نوعياً؛ فإن ذلك يؤدي إلى ظهور آليات مختلفة كتقسية الرابطة أو تنعيمها، ويصبح لتشظي الموقع النوعي دوره في تآثر الحقل الشديد مع الجزيء.

كما تَبين أن توفُّر ليزرات نبضية ذات طاقات عالية تولد حقولاً كهربائية ذات شدات مقاربة أو أشد من الحقول الكولونية داخل الجزيء يسمح بتشوه منحنيات الطاقة الكامنة، وبحيث تستطيع الجزيئات المستقرة التفكك أو التأين، وغالباً ما يُدرس التنافس بين هاتين العمليتين خصوصاً؛ للنظر في سبر التوزع النسبي لطاقة الليزر بين درجات حرية التأين أو التفكك. من جهة أخرى يمكن لمثل هذه الحقول الشديدة أن تؤدي إلى التأين المتعدد أو اقتلاع أكثر من إلكترون وبنتيجة ذلك تؤدي إلى تفكك الجزيء. ويمكن لعملية التأين المتعدد لجزيء مستقر أن تؤدي إلى تكوين جزيئات مؤينة غير مستقرة، وكما هو مبين في الشكل (4) الذي يعبِّر عن منحنيات الطاقة الكامنة التي تصف حالات تفكك الجزيء غير المستقر ثنائي الذرة.

الشكل (4) منحنيات الطاقة الكامنة المعبرة عن سويات التفكك للجزيئات ثنائية الذرة.

عند استخدام الليزرات النبضية الشديدة ذات كثافة استطاعة من مرتبة وحقل كهربائي مقدر بنـحو ؛ يستطيع الجزيء المعرض لمثل هذه الحقول الشديدة امتصاص الطاقة عبر درجات حريته الإلكترونية أو الاهتزازية أو الدورانية، إذ يمكن أن تؤدي الإثارة الإلكترونية إلى التأين (الوحيد أو المتعدد)، كما يمكن أيضاً نتيجة لتطبيق الحقل الكهربائي إعاقة دوران الجزيء. في حين إذا امتصّت الطاقة من خلال درجات الحرية النووية للجزيء فإن ذلك يؤدي إلى تفكك الجزيء إلى شدوف متعددة قد يكون بعضها متأيناً.

غالباً ما تُنمذج الطاقة الحركية المتحررة التي تزيد عن طاقة الارتباط؛ عند تفكك جزيئات متعددة الشحنات على غرار نموذج انفجار كولوني Coulomb’s explosion بحيث يتفكك فيه الجزيء المشحون بعددٍ وفق المعادلة (3):

يتبين من المعادلة (3) أن قياس الطاقات الحركية لكل من الإيونات ، يسمح بقياس الطاقة الحركية المتحررة موزعة بين جسيمين نقطيَّين بشحنتين x، y ومفصولين بمسافة وتعطى بالعلاقة (4):

وتقدر ﺑ وكلٌّ من و بوحدة شحنة البروتون بحيث تكون معطاة ﺑوحدة eV. يعدّ تحديد قيم الطاقات الحركية المتحررة وسيلة فعالة لقياس التشوه الناتج من الحقول الضوئية القوية. من جهة أخرى تعكس مخططات التشظي fragmentation patterns لتآثر الأشعة الليزرية مع جزيئات المادة على نحو نسبي أهمية المقطع العرضي للتأين الجزيئي، وكذلك التأين المؤدي إلى تفكك الجزيء، ويعتمد كل منهما بدوره على عزوم ثنائي القطب الانتقالية، وكذلك على وجود الحالات التجاوبية البينية سواء أكانت موجودة سلفاً في الجزيء أم حُرِّضت بوساطة الحقل الليزري المطبق.

التصنيف : الكيمياء والفيزياء

النوع : الكيمياء والفيزياء

المجلد: المجلد السادس

رقم الصفحة ضمن المجلد : 0

آخر أخبار الهيئة :

البحوث الأكثر قراءة

اصدارات الموسوعة العربية

أسماء الباحثين

هل تعلم ؟؟

• - هل تعلم أن الأبلق نوع من الفنون الهندسية التي ارتبطت بالعمارة الإسلامية في بلاد الشام ومصر خاصة، حيث يحرص المعمار على بناء مداميكه وخاصة في الواجهات

• - هل تعلم أن الإبل تستطيع البقاء على قيد الحياة حتى لو فقدت 40% من ماء جسمها ويعود ذلك لقدرتها على تغيير درجة حرارة جسمها تبعاً لتغير درجة حرارة الجو،

• - هل تعلم أن أبقراط كتب في الطب أربعة مؤلفات هي: الحكم، الأدلة، تنظيم التغذية، ورسالته في جروح الرأس. ويعود له الفضل بأنه حرر الطب من الدين والفلسفة.

• - هل تعلم أن المرجان إفراز حيواني يتكون في البحر ويتركب من مادة كربونات الكلسيوم، وهو أحمر أو شديد الحمرة وهو أجود أنواعه، ويمتاز بكبر الحجم ويسمى الش

• هل تعلم أن الأبسيد كلمة فرنسية اللفظ تم اعتمادها مصطلحاً أثرياً يستخدم في العمارة عموماً وفي العمارة الدينية الخاصة بالكنائس خصوصاً، وفي الإنكليزية أب

• - هل تعلم أن أبجر Abgar اسم معروف جيداً يعود إلى عدد من الملوك الذين حكموا مدينة إديسا (الرها) من أبجر الأول وحتى التاسع، وهم ينتسبون إلى أسرة أوسروين

• - هل تعلم أن الأبجدية الكنعانية تتألف من /22/ علامة كتابية sign تكتب منفصلة غير متصلة، وتعتمد المبدأ الأكوروفوني، حيث تقتصر القيمة الصوتية للعلامة الك

شراء النسخة الورقية