OH-NO scattering at the quantum level

Abstract

The study of rotational energy transfer in collisions between simple molecules is one of the most fundamental methods to acquire a detailed understanding of molecular interactions, and can reveal valuable insights into the dynamic behavior of larger chemical systems. In this work the technique of molecular beam scattering is combined with the technique of Stark-deceleration. A beam of Stark-decelerated OH (X 2Π3/2, ν=0, j=3/2, f) radicals is scattered with a beam of hexapole state-selected NO (X 2Π1/2, ν=0, j=1/2, f) radicals. Rotationally and spin-orbit inelastic scattering cross sections are measured on an absolute scale for collision energies between 70 and 300 cm-1. These cross sections show fair agreement with quantum coupled-channels calculations. To experimentally observe the scattered OH radicals, an ultra-sensitive laser- induced-fluorescence detection scheme is developed. This scheme allows for the identification of the magnetic dipole transition (A 2Σ+, v=1, N=0 ← X 2Π3/2, v=0, j=3/2, f) of the OH radical. Magnetic dipole transitions can affect such ultra-sensitive molecular beam experiments. The transition strength ratio between the magnetic and electric dipole transition is experimentally determined via Rabi spectroscopy in combination with an external magnetic field, and compared to theoretical predictions. In future experiments, the control of the velocity of both collision partners using two Stark decelerators creates new possibilities for collision experiments with unprecedented energy resolution. The NO radical possesses only a small dipole moment, and the deceleration of this species has long been considered unfeasible. This work demonstrates the first Stark deceleration of NO radicals, that are produced in their (X 2Π3/2, ν=0, j=3/2, f) spin-orbit excited state via laser excitation and spontaneous emission. In a 2.8 m long Stark-decelerator the NO radicals are decelerated from 315 m/s to 230 m/s, removing 50% of their kinetic energy.

Molekülstöße sind ein fundamentaler Bestandteil chemischer Prozesse, deren Untersuchung seit Beginn des zwanzigsten Jahrhunderts bis heute dazu beigetragen hat, unser Verständnis der physikalischen Chemie und Molekülphysik zu erweitern und voranzutreiben. In dieser Arbeit wurde die Methode der sogenannten Stark-Abbremsung mit der wohlbekannten Technik von Kreuzstrahlen kombiniert, um neue Erkenntnisse über inelastische Stöße zwischen Radikalen zu gewinnen. Zur Stark-Abbremsung benötigt man polare – aber elektrisch neutrale – Moleküle. Diese werden durch Überschallexpansion ins Vakuum expandiert, d.h. in einen Molekülstrahl verwandelt, und einzelne Pakete des Molekülstrahls werden durch periodische, elektrische Felder mittels des Starkeffekts abgebremst. Die besonderen Vorzüge der Stark-Abbremsung sind die Durchstimmbarkeit der mittleren Endgeschwindigkeit und somit der Stoßenergie, die schmale Geschwindigkeitsverteilung, d.h. die hohe Energieauflösung, die Möglichkeit bei sehr langsamen Geschwindigkeiten Stöße mit geringer Energie zu untersuchen und die Selektion eines einzelnen Molekülzustands. Im Rahmen dieser Arbeit wurden inelastische Stöße zwischen Stark-abgebremstem OH (X 2Π3/2, ν=0, j=3/2, f) und Hexapol-selektiertem NO (X 2Π1/2, ν=0, j=1/2, f) untersucht. Die Stoßenergie wurde zwischen 70 und 300 cm-1 variiert, und das zustandsaufgelöste Schwellwertverhalten von vier Stoßkanälen wurde beobachtet. Mit der Detektionsmethode der zustandsaufgelösten Laser-induzierter- Fluoreszenz (LIF) wurde die Partikeldichte der Stoßpartner bestimmt und zusammen mit Monte-Carlo-Trajektorien-Simulationen beider Molekülstrahlen wurden absolute Streuquerschnitte bestimmen. Die experimentellen Streuquerschnitte wurden mit Modellrechnungen über die Stöße zweier 2Π Radikale verglichen und gute Übereinstimmung festgestellt. Für das Gelingen dieses Stoßexperiments zweier Moleküle war die hintergrundfreie Detektion von extremer Wichtigkeit. Die Analyse des Hintergrundsignals im unteren Λ-Doublet des OH-Grundzustands (X 2Π3/2, ν=0, j=3/2, f) führte zu einem überraschenden Ergebnis: Magnetische Dipolübergänge des gut charakterisierten A2Σ+ ← X2Π Systems des Hydroxyl-Radikals sind zwei Größenordnungen stärker als bisher angenommen. In einem neuen Experiment wurde die relative Stärke der magnetischen Dipolübergänge mit der Stärke der elektrischen Dipolübergänge vergleichen und der Einfluss von elektrischen Quadrupolübergängen ausgeschlossen. Diese experimentellen Erkenntnisse stimmten sehr gut mit neuen theoretischen Rechnungen überein.