انفجارهای کولنی

باریکه‌های یونی ـ مولکولی سریع (MeV) سال‌ها است که در مدرج ‌سازی انرژی شتاب‌گرهای هسته‌ای به کار می‌رود، اما تازه این اواخر آزمایش‌گران شروع کردند به بهره‌ گیری از همبستگی فضایی و زمانی هسته‌های تشکیل‌ دهندۀ پرتابه‌های مولکولی.
وقتی پرتابه‌های دو اتمی سبک (H_(2 )^+، 〖HeH〗^+، 〖He〗_2^+) با انرژی چند MeV به یک ورقه تابانده شوند، الکترون‌های متصل به مولکول‌های پرتابی تقریبا همیشه در چند آنگستروم اول نفوذ در هدف جامد کاملا کنده می‌شوند. حاصل این کار دو هسته برهنه (یا تقریبا برهنه) است که به علت دافعه متقابل کولنی به سرعت از هم دور می‌شوند. این فرایند تجزیة شدید، که در آن پتانسیل الکتروستاتیک اولیه به انرژی جنبشی حرکت نسبی تبدیل یافته است، «انفجار کولنی» نامیده می‌شود.
زمان مشخصة این انفجار نوعاً فمتو ثانیه (〖10〗^(-15) ثانیه) است، حال آن که دوره‌های نوعی برای ارتعاشات و چرخش‌های مولکولی (به ترتیب 〖10〗^(-14) و 〖10〗^(-12) ثانیه) به قدری طولانی‌ترند که مسیر قطعات حاصل فقط انرژی کولنی مولکول منفجر شونده تعیین می‌کند. زمان انفجار از مرتبة بزرگی زمان توقف پرتابه در هدف ورقه‌ای نازک (100Å) است. در نتیجه، بیشتر انفجار کولنی در داخل ورقه روی می‌دهد.
از ورقه که خارج شویم، قطعاتی داریم که هم سرعت باریکة اولیه را دارند و هم یک مؤلفة ناشی از انفجار کولنی. این مولفه باعث یک انتقال در زاویه و انرژی آزمایشگاهی هر قطعه می‌شود؛ مقدار این انتقال بستگی دارد به سمتیُت مولکول فرودی. چون تمام سمتیُت‌ها در باریکه وجود دارند، توزیع توأم انرژی و زاویه برای قطعات حاصل حلقه‌ا‌‌ی هستند. قطر این حلقه را عمدتاً طول پیوند در پرتابه‌‎های فرودی تعیین می‌کند، در حالی که «ضخامت» حلقه تابع برانگیختگی ارتعاشی مولکول‌های فرودی است. توزیع شدت ذره حول حلقه کاوة حساسی برای نوسان‌های الکترون‌ـ پلاسمایی است که در هدف به علت عبور پرتابه‌های بار دار تولید می‌شوند (واگر و دیگر). در سال‌های اخیر، چندین گروه آزمایش‌گر، از این فنون برای مطالعة ساختارهای یون‌های مولکولی «عادی» استفاده کرده‌اند. یک تجربه، اولین تأیید تجربی ساختار منظم یون H_3^+، یعنی ساده‌ترین یون مولکولی چند اتمی، را به دست دارد (گیلارد).
در طی سالیان گذشته، بعضی از نتایج حاصل از این آزمایش‌ها آزمایش‌گران را بر آن داشت تا توجه خود را به حالت‌های الکترونی غریب مربوط به مولکول‌ها و قطعات انفجار کولنی معطوف کنند. در انستیتو آرگون و انستیتو وایزمن شواهدی به دست آمده‌اند که دلالت دارند بر این که حالت‌های (فوق ‌العاده برانگیختة) ریدبرگ مربوط به خوشه مولکولی برانگیزندة ورقه نقش مهمی در شکل ‌گیری حالت‌های باری نادر قطعات انفجار کولنی دارند. این مولکول‌های فوق ‌العاده برانگیخته،که دارای یک الکترون دوران کننده در فاصله‌های زیاد (گاهی ماکروسکوپیک) از هستة مولکولی هستند، مانستة اتم‌های ریدبرگ‌اند و از بعضی خواص جالب توجه برخوردارند. اتم‌های ریدبرگ طول عمرهای بسیار درازی دارند و از این رو به ندرت بدون اختلال‌های خارجی وا می‌پاشند. اما آن‌ها حتی به میدان‌های الکترومغناطیسی خارجی بسیار ضعیف نیز حساسند. درک شکل‌گیری و واپاشی اتم‌های ریدبرگ در مطالعة مباحثی مانند پلاسماهای هم‌جوشی، ابرهای بین ستاره‌ای و خرمن خورشید، اهمیت اساسی دارد.
آزمایش‌های آرگون اکنون نشان داده‌اند که اتم‌های ریدبرگ را می‌توان به تعداد زیاد با عبور دادن یون‌های سریع از ورقه‌های نازک کربن تشکیل داد. در این آزمایش‌ها، اتم‌های ریدبرگ را با مشاهدة الکترون‌های تولید شده از پویندگی اتم‌های سریع توسط میدان الکتریکی آشکار ساخته‌اند. با این روش می‌توان میدان‌های الکتریکی نسبتاً ضعیف را به کار برد و این به نوبة خود مطالعة نواحی فوق‌العاده بالای برانگیزش را ممکن می‌سازد (واگر).
در چند سال گذشته یک گروه در لیون از روش انفجار کولنی استفاده کردند تا نشان دهند که مولکول H_3ی خنثی، که در حالت پایه‌اش ناپایدار است، وقتی در یکی از حالت‌های برانگیختة ریدبرگ خود باشد، عمری طولانی‌تر از 3μsدارد. این مولکول‌های H_3 با عبور باریکه‌ای از یون‌های H_3^+از داخل یک گاز تشکیل می‌شوند و از انفجار کولنی در ورقه‌های جامد استفاده می‌شود تا مولکول‌های H_3ی خنثی از ترکیبات آلودة HDجدا شوند؛ این ترکیبات در کوشش‌های قبلی برای کشف مولکول غریب باعث مزاحمت بوده‌اند.