Using ion-trapping techniques, selected laboratory experiments on ion-molecule reactions of astrophysical interest have been performed. For the first time a carbon beam source has been integrated into an ion trapping machine for studying collisions between ions and neutral carbon atoms and molecules. Results are presented for the interaction of D3+ ions stored in a ring-electrode trap (RET), with a beam of hot neutral carbon molecules, Cn (n = 1, 2, 3). The measured reaction rate coefficients are up to a factor two smaller than values presently used in astrophysical models. In order to complete our knowledge about the ion chemistry involving three carbon atoms, detailed investigations of reactions of C3+, C3H+ and C3H3+ with H2 and HD have been performed between 15 K and room temperature. These studies have been performed in a second apparatus, a variable-temperature 22-pole trap machine (VT-22PT).
Results include reactive collisions, deuteration and radiative association. It is discussed in connection with the increase in lifetime of the C3+ + H2 collision complexes with falling temperature, what could be responsible for producing more C3H+ at 15 K. Tunneling is excluded. In C3+ + HD collisions an isotope effect has been detected, the C3D+ product ions being slightly more abundant than C3H+. Comparison of the reaction of C3H+ primary ions with HD and H2 gas revealed that the deuterated molecules are significantly more reactive. The process of radiative association of C3H+ and for the first time of C3+ with hydrogen molecules has been observed. An analysis of the data shows that radiative association becomes slower, if the neutral reactant is deuterated. Finally, the theoretical prediction from ab initio calculations that C3H3+ does not exchange an H for a D in collisions with HD, has been proven in an ion trap experiment. Careful analysis of all competing processes allows the conclusion that the rate coefficient is smaller than 4x10-16 cm3s-1 at 15 K. / Unter Verwendung von zwei Speicherapparaturen wurden ausgewählte, astrophysikalische wichtige Ionen-Molekülreaktionen untersucht. Durch die Kombination einer Kohlenstoffquelle mit einem Ionenspeicher, in dem so Reaktionen zwischen Ionen und Kohlenstoffmolekülen oder -atomen untersucht werden können, wurde Neuland betreten. Es werden Ergebnisse vorgestellt für die Reaktion von D3+ Ionen, die in einem Ringelektrodenspeicher gefangen sind, mit einem Strahl von heißen Cn (n = 1, 2, 3). Die gemessenen Ratenkoeffizienten sind nur halb so groß wie die Werte, die in astrophysikalischen Modellen verwendet werden. Um die Kenntnis über alle möglichen Reaktionen, bei denen drei C-Atome beteiligt sind, abzurunden, wurden zwischen 15 K und Zimmertemperatur die Reaktionen zwischen C3+, C3H+ und C3H3+ Ionen mit H2 und HD in vielen Details untersucht. Diese Experimente wurden in einer zweiten Apparatur durchgeführt, in der ein temperaturvariabler 22-Polspeicher das zentrale Element ist (VT-22PT).
Berichtet werden Ergebnisse zu reaktiven Stößen, zur Deuterierung von Kohlenwasserstoffen und zur Strahlungsassoziation. In der Diskussion bleibt offen, was - in Verbindung mit der von 300 K zu 15 K zunehmenden Lebensdauer - der Grund dafür sein kann, daß die Bildung des exothermen Produkts C3H+ anwächst. Der Tunneleffekt scheidet aus. Bei der Reaktion C3+ + HD wurde ein Isotopeneffekt beobachtet, das C3D+ Produkt wird etwas häufiger gebildet als C3H+. Ein Vergleich der Reaktion zwischen C3H+ Ionen mit HD bzw. H2 zeigt, daß das deuterierte Molekül wesentlich reaktiver ist. Es wurden Ratenkoeffizienten für die Strahlungsassoziation von H2 Molekülen mit C3H+ und erstmals mit C3+ Ionen gemessen. Die Auswertung der Daten zeigt, dass der Prozeß langsamer abläuft, wenn der neutrale Stoßpartner deuteriert ist. Schließlich wurde experimentell die theoretische Vorhersage überprüft, dass C3H3+ keinen H-D Austausch mit HD eingeht. Eine sorgfältige Analyse aller konkurrierenden Prozesse ergab, dass bei 15 K der Raten koeffizient kleiner als 4x10-16 cm3s-1 ist.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa.de:swb:ch1-200401322 |
| Date | 02 September 2004 |
| Creators | Savić, Igor |
| Contributors | TU Chemnitz, Fakultät für Naturwissenschaften, Prof. Dr. Dieter Gerlich, Prof. Dr. Gotthard Seifert, Dr. Juraj Glosik |
| Publisher | Universitätsbibliothek Chemnitz |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | doc-type:doctoralThesis |
| Format | application/pdf, text/plain, application/zip |
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