Semiempirical Formulae for Inelastic Atomic and Molecular Collisions

Chapter
Part of the Springer Series on Atomic, Optical, and Plasma Physics book series (SSAOPP, volume 68)

Abstract

Available empirical and semiempirical formulae predicting cross sections for inelastic two-body collisions of atoms and molecules at low, intermediate, and high collision energy regions are summarized. Some of these were selected to be revisited in detail and visually compared with experimental data, including the latest measurements.

Keywords

Ionization Cross Section Excitation Cross Section Target Electron Semiempirical Formula Classical Trajectory Monte Carlo 
These keywords were added by machine and not by the authors. This process is experimental and the keywords may be updated as the learning algorithm improves.

Notes

Acknowledgements

The author is grateful to L. M\(\mathrm{\acute{e}}\)ndez and Bernard Pons for providing cross sections including unpublished ones and to R. D. DuBois as well for the data file. Discussions with Prof. Brian Gilbody and V. P. Shevelko are acknowledged. The author appreciates Robert E. H. Clark for his encouragement and suggestions to finalize this chapter.

References

  1. 1.
    W.H. Barkas, W. Birnbaum, F.M. Smith, Phys. Rev. 101, 778 (1956)Google Scholar
  2. 2.
    H.H. Andersen, H. Simonsen, H. Sørensen, Nucl. Phys. A 125, 171 (1969)Google Scholar
  3. 3.
    W.H. Bragg, M.A. Elder, Phil. Mag. 10, 318 (1905)Google Scholar
  4. 4.
    C.A. Ram\(\mathrm{\acute{i}}\)rez, R.D. Rivarola, Phys. Rev. A 52, 4972 (1995)Google Scholar
  5. 5.
    H. Bethe, Ann. Physik folge 5, 5(397) 325 (1930)Google Scholar
  6. 6.
    M. Inokuti, Rev. Mod. Phys. 43, 297 (1971)Google Scholar
  7. 7.
    Y.-K. Kim, M. Inokuti, Phys. Rev. 175, 176 (1968)Google Scholar
  8. 8.
    Y.-K. Kim, M. Inokuti, Phys. Rev. 184, 38 (1969)Google Scholar
  9. 9.
    R.K. Janev, L.P. Presnyakov, J. Phys. B 13, 4233 (1980)Google Scholar
  10. 10.
    R.K. Janev, L.P. Presnyakov, Phys. Rep. 70, 1 (1981)Google Scholar
  11. 11.
    W. Fritsch, K.-H. Schartner, Phys. Lett. A 126, 17 (1987)Google Scholar
  12. 12.
    C.O. Reinhold, R.E. Olson, W. Fritsch, Phys. Rev. A 41, 4837 (1990)Google Scholar
  13. 13.
    W. Fritsch, R. Shingal, C.-D. Lin, Phys. Rev. A 44, 5686 (1991)Google Scholar
  14. 14.
    D. Detleffsen, M. Anton, W. Werner, K.-H. Schartner, J. Phys. B 27, 4195 (1994)Google Scholar
  15. 15.
    K. Reymann, K.-H. Schartner, B. Sommer, E. Träbert, Phys. Rev. A 38, 2290 (1988)Google Scholar
  16. 16.
    M. Anton, D. Detleffsen, K.-H. Schartner, W. Werner, J. Phys. B 26, 2005 (1993)Google Scholar
  17. 17.
    R.K. Janev, Phys. Rev. A 53, 219 (1996)Google Scholar
  18. 18.
    J.T. Park, J.E. Aldag, J.M. George, J.L. Peacher, Phys. Rev. A 14, 608 (1976)Google Scholar
  19. 19.
    K.H. Schartner, D. Detleffsen, B. Sommer, Phys. Lett. A 136, 55 (1989)Google Scholar
  20. 20.
    F.J. de Heer, R. Hoekstra, H.P. Summers, Nucl. Fusion Suppl. 3, 47 (1992)Google Scholar
  21. 21.
    M. Anton, D. Detleffsen, K.-H. Schartner, Nucl. Fusion Suppl. 3, 51 (1992)Google Scholar
  22. 22.
    L.F. Errea, L. M\(\mathrm{\acute{e}}\)ndez, B. Pons, A. Riera, I. Sevila, J. Su\(\mathrm{\acute{a}}\)rez, Phys. Rev. A 74, 012722 (2006)Google Scholar
  23. 23.
    J.G. Lodge, I.C. Percival, D. Richards, J. Phys. B 9, 239 (1976)Google Scholar
  24. 24.
    R. Ito, T. Tabata, T. Shirai, R.A. Phaneuf, JAERI-Data/Code 94-005 (1994)Google Scholar
  25. 25.
    A.E.S. Green, R.J. McNeal, J. Geophys. Res. 76, 133 (1971)Google Scholar
  26. 26.
    R.K. Janev, J.J. Smith, in: Atomic and Plasma-Material Interaction Data for Fusion, vol. 4, ed. by R.K. Janev (IAEA, Vienna, 1993) pp. 1–180Google Scholar
  27. 27.
    I. Murakami, J. Yan, H. Sato, M. Kimura, R.K. Janev, T. Kato, At. Data Nucl. Data Tables 94, 161 (2008)Google Scholar
  28. 28.
    V.D. Irby, Phys. Rev. A 39, 54 (1989)Google Scholar
  29. 29.
    Y.K. Kim, M. Inokuti, Phys. Rev. A 3, 665 (1971)Google Scholar
  30. 30.
    W. Lotz, Z. Phys. 206, 205 (1967)Google Scholar
  31. 31.
    M.E. Rudd, R.D. DuBois, L.H. Toburen, C.A. Ratcliffe, T.V. Goffe, Phys. Rev. A 28, 3244 (1983)Google Scholar
  32. 32.
    M.E. Rudd, Y.-K. Kim, D.H. Madison, J.W. Gallagher, Rev. Mod. Phys. 57, 965 (1985)Google Scholar
  33. 33.
    M.E. Rudd, A. Itoh, T.V. Goffe, Phys. Rev. A 32, 2499 (1985)Google Scholar
  34. 34.
    H.B. Gilbody, J.B. Hasted, Proc. R. Soc. Lond. A 240, 382 (1957)Google Scholar
  35. 35.
    H.B. Gilbody, A.R. Lee, Proc. R. Soc. Lond. A 274, 365 (1963)Google Scholar
  36. 36.
    J.W. Hooper, E.W. McDaniel, D.W. Martin, D.S. Harmer, Phys. Rev. 121, 1123 (1961)Google Scholar
  37. 37.
    E.A. Solov’ev, R.N. Il’in, V.A. Oparin, N.V. Fedorenko, Sov. Phys. JETP 15, 459 (1962)Google Scholar
  38. 38.
    Yu.S. Gordeev, M.N. Panov, Sov. Phys. Tech. Phys. 9, 656 (1964)Google Scholar
  39. 39.
    F.J. de Heer, J. Schutten, H. Moustafa, Physica 32, 1766 (1966)Google Scholar
  40. 40.
    L.I. Pivovar, Yu.Z. Levchenko, Sov. Phys. JETP 25, 27 (1962)Google Scholar
  41. 41.
    J.G. Collins, P. Kebarle, J. Chem. Phys. 46, 1082 (1967)Google Scholar
  42. 42.
    J.B. Crooks, M.E. Rudd, Phys. Rev. A 3, 1628 (1971)Google Scholar
  43. 43.
    Z.Z. Latypov, A.A. Shaporenko, Sov. Phys. Tech. Phys. 17, 117 (1972)Google Scholar
  44. 44.
    H. Gabler, Diplomarbeit, Freie Universität Berlin (1974)Google Scholar
  45. 45.
    M.E. Rudd, Phys. Rev. A 20, 787 (1979)Google Scholar
  46. 46.
    T.L. Criswell, L.H. Toburen, M.E. Rudd, Phys. Rev. A 16, 508 (1977)Google Scholar
  47. 47.
    L.H. Toburen, S.T. Manson, Y.-K. Kim, Phys. Rev. A 17, 148 (1978)Google Scholar
  48. 48.
    C.F. Barnett, ORNL-6086/V1 (1990). http://www-cfadc.phy.ornl.gov/redbooks/one/1.html
  49. 49.
    R. Ito, T. Tabata, T. Shirai, R.A. Phaneuf, JAERI-Data/Code 95-008 (1995)Google Scholar
  50. 50.
    V.P. Shevelko, D. Kato, M.-Y. Song, H. Tawara, I.Yu. Tolstikhina, J.-S. Yoon, Nucl. Instr. Meth. B 267, 3395 (2009)Google Scholar
  51. 51.
    I.D. Kaganovich, E.A. Startsev, R.C. Davidson, Phys. Plasmas 11, 1229 (2004)Google Scholar
  52. 52.
    I.D. Kaganovich, E. Startsev, R.C. Davidson, New J. Phys. 8, 278 (2006)Google Scholar
  53. 53.
    H. Knudsen, in Physics of Electronic and Atomic Collisions, ed. by S. Datz (North-Holland, Amsterdam 1982), pp. 657–669Google Scholar
  54. 54.
    M.B. Shah, H.B. Gilbody, J. Phys. B 14, 2361 (1981a)Google Scholar
  55. 55.
    M.B. Shah, H.B. Gilbody, J. Phys. B 14, 2831 (1981b)Google Scholar
  56. 56.
    M.B. Shah, H.B. Gilbody, J. Phys. B 15, 413 (1982)Google Scholar
  57. 57.
    G.H. Gillespie, J. Phys. B 15, L729 (1982)Google Scholar
  58. 58.
    G.H. Gillespie, Phys. Lett. A 93, 327 (1983)Google Scholar
  59. 59.
    R.E. Olson, A. Salop, Phys. Rev. A 16, 531 (1977)Google Scholar
  60. 60.
    R.E. Olson, K.H. Berkner, W.G. Graham, R.V. Pyle, A.S. Schlachter, J.W. Stearns, Phys. Rev. Lett. 41, 163 (1978)Google Scholar
  61. 61.
    R.E. Olson, Phys. Rev. A 18, 2464 (1978)Google Scholar
  62. 62.
    D.J.W. Hardie, R.E. Olson, J. Phys. B 16, 1983 (1983)Google Scholar
  63. 63.
    R.E. Olson, J. Phys. B 13, 483 (1980)Google Scholar
  64. 64.
    R.K. Janev, G. Ivanovski, E.A. Solov’ev, Phys. Rev. A 49, R645 (1994)Google Scholar
  65. 65.
    W. Wu, C.L. Cocke, J.P. Giese, F. Melchert, M.L.A. Raphaelian, M. Stöckli, Phys. Rev. Lett. 75, 1054 (1995)Google Scholar
  66. 66.
    W. Wu, E.F. Deveney, S. Datz, D.D. Desai, H.F. Krause, J.M. Sanders, C.R. Vane, C.L. Cocke, J.P. Giese, Phys. Rev. A 53, 2367 (1996)Google Scholar
  67. 67.
    J. Alonso, H. Gould, Phys. Rev. A 26, 1134 (1982)Google Scholar
  68. 68.
    R.E. Olson, R.L. Watson, V. Horvat, K.E. Zaharakis, J. Phys. B 35, 1893 (2002)Google Scholar
  69. 69.
    N. Bohr, K. Dan. Vidensk. Selsk., Mat.-fys. Medd. XVIII(8), (1948)Google Scholar
  70. 70.
    G.D. Alton, L.B. Bridwell, M. Lucas, C.D. Moak, P.D. Miller, C.M. Jones, Q.C. Kessel, A.A. Antar, M.D. Brown, Phys. Rev. A 23, 1073 (1981)Google Scholar
  71. 71.
    V.P. Shevelko, M.S. Litsarev, H. Tawara, J. Phys. B 41, 115204 (2008)Google Scholar
  72. 72.
    V.P. Shevelko, M.S. Litsarev, M.-Y. Song, H. Tawara, J.-S. Yoon, J. Phys. B 42, 065202 (2009)Google Scholar
  73. 73.
    M.-Y. Song, M.S. Litsarev, V.P. Shevelko, H. Tawara, J.-S. Yoon, Nucl. Instr. Meth. B 267, 2369 (2009)Google Scholar
  74. 74.
    A.C.F. Santos, R.D. DuBois, Phys. Rev. A 69, 042709 (2004)Google Scholar
  75. 75.
    R.D. DuBois, A.C.F. Santos, R.E. Olson, Nucl. Instr. Meth. A 544, 497 (2005)Google Scholar
  76. 76.
    V.P. Shevelko, I.L. Beigman, M.S. Litsarev, H. Tawara, I.Yu. Tolstikhina, G. Weber, Nucl. Instrum. Meth. B 269, 1455 (2011)Google Scholar
  77. 77.
    V. Shevelko et al., in Electron Loss and Capture Processes in Collisions of Heavy Many-Electron Ions with Neutral Atoms. Atomic Processes in Basic and Applied Physics (Springer, Berlin, 2012)Google Scholar
  78. 78.
    B. Franzke, IEEE Trans. Nucl. Sci. 28, 2116 (1981)Google Scholar
  79. 79.
    R.D. DuBois, A.C.F. Santos, Th. Stöhlker et al., Phys. Rev. A 70, 032712 (2004)Google Scholar
  80. 80.
    W. Erb, GSI Report GSI-P-78, Darmstadt, Germany (1978)Google Scholar
  81. 81.
    A.N. Perumal, V. Horvat, R.L. Watson, Y. Peng, K.S. Frushey, Nucl. Instr. Meth. B 227, 251 (2005)Google Scholar
  82. 82.
    A. Smolyakov, P. Spiller, Internal Note ACC-note-internal-2006-001(GSI, Darmstadt, 2006)Google Scholar
  83. 83.
    N. Bohr, J. Lindhard, K. Dan. Vidensk. Selsk. Mat.-fys. Medd. 28(7), (1954)Google Scholar
  84. 84.
    T.V. Goffe, M.B. Shah, H.B. Gilbody, J. Phys. B 12, 3763 (1979)Google Scholar
  85. 85.
    D.S.F. Crothers, N.R.J. Todd, J. Phys. B 13, 2277 (1980)Google Scholar
  86. 86.
    H. Knudsen, H.K. Haugen, P. Hvelplund, Phys. Rev. A 23, 597 (1981a)Google Scholar
  87. 87.
    J.R. Oppenheimer, Phys. Rev. 31, 349 (1928)Google Scholar
  88. 88.
    H.C. Brinkman, H.A. Kramers, Koninklijke Akademie van Wetenschappen te Amsterdam 33, 973 (1930)Google Scholar
  89. 89.
    K. Dettmann, G. Leibfried, Z. Phys. 218, 1 (1969)Google Scholar
  90. 90.
    J.S. Briggs, J. Phys. B 10, 3075 (1977)Google Scholar
  91. 91.
    W.S. Melo, M.M. Sant’Anna, A.C.F. Santos, G.M. Sigaud, E.C. Montenegro, Phys. Rev. A 60, 1124 (1999)Google Scholar
  92. 92.
    I. Ben-Itzhak, A. Jain, O.L. Weaver, J. Phys. B 26, 1711 (1993)Google Scholar
  93. 93.
    L.D. Gardner, J.E. Bayfield, P.M. Koch, H.J. Kim, P.H. Stelson, Phys. Rev. A 16, 1415 (1977)Google Scholar
  94. 94.
    R.A. Phaneuf, F.W. Meyer, R.H. McKnight, Phys. Rev. A 17, 534 (1978)Google Scholar
  95. 95.
    H.J. Kim, R.A. Phaneuf, F.W. Meyer, P.H. Stelson, Phys. Rev. A 17, 854 (1978)Google Scholar
  96. 96.
    D.H. Crandall, R.A. Phaneuf, F.W. Meyer, Phys. Rev. A 19, 504 (1979)Google Scholar
  97. 97.
    C.D. Moak, H.O. Lutz, L.B. Bridwell, L.C. Northcliffe, S. Datz, Phys. Rev. 176, 427 (1968)Google Scholar
  98. 98.
    H.J. Zwally, D.W. Koopmann, Phys. Rev. A 2, 1851 (1970)Google Scholar
  99. 99.
    S. Datz, H.O. Lutz, L.B. Bridwell, C.D. Moak, H.D. Betz, L.D. Ellsworth, Phys. Rev. A 2, 430 (1970)Google Scholar
  100. 100.
    J.R. Macdonald, F.W. Martin, Phys. Rev. A 4, 1965 (1971)Google Scholar
  101. 101.
    H.D. Betz, G. Ryding, A.B. Wittkower, Phys. Rev. A 3, 197 (1971)Google Scholar
  102. 102.
    A. Müller, E. Salzborn, Phys. Lett. A 59A, 19 (1976)Google Scholar
  103. 103.
    D.H. Crandall, Phys. Rev. A 16, 958 (1977)Google Scholar
  104. 104.
    J.A. Guffey, L.D. Ellsworth, J.R. Macdonald, Phys. Rev. A 15, 1863 (1977)Google Scholar
  105. 105.
    U. Schiebel, B.L. Doyle, J.R. Macdonald, L.D. Ellsworth, Phys. Rev. A 16, 1089 (1977)Google Scholar
  106. 106.
    H. Winter, Th.M. El-Sherbini, E. Bloemen, F.J. de Heer, A. Salop, Phys. Lett. A 68A, 211 (1978)Google Scholar
  107. 107.
    L.D. Gardner, J.E. Bayfield, P.M. Koch, I.A. Sellin, F.J. Pegg, R.S. Peterson, M.L. Mallory, D.H. Crandall, Phys. Rev. A 20, 766 (1979)Google Scholar
  108. 108.
    S.M. Ferguson, J.R. Macdonald, T. Chiao, L.D. Ellsworth, S.A. Savoy, Phys. Rev. A 8, 2417 (1973)Google Scholar
  109. 109.
    H. Klinger, A. Müller, E. Salzborn, J. Phys. B 8, 230 (1975)Google Scholar
  110. 110.
    H. Winter, E. Bloemen, F.J. de Heer, J. Phys. B 10, L453 (1977)Google Scholar
  111. 111.
    F.W. Meyer, R.A. Phaneuf, H.J. Kim, P. Hvelplund, P.H. Stelson, Phys. Rev. A 19, 515 (1979)Google Scholar
  112. 112.
    A. Müller, C. Achenbach, E. Salzborn, Phys. Lett. A 70A, 410 (1979)Google Scholar
  113. 113.
    A.S. Schlachter, J.W. Stearns, W.G. Graham, K.H. Berkner, R.V. Pyle, J.A. Tanis, Phys. Rev. A 27, 3372 (1983)Google Scholar
  114. 114.
    J.M. Sanders, T.N. Tipping, J. Hall, J.L. Sinpaugh, D.H. Lee, P. Richard, Nucl. Instr. Meth. B 56/57, 104 (1991)Google Scholar
  115. 115.
    K.R. Cornelius, Phys. Rev. A 73, 032710 (2006)Google Scholar
  116. 116.
    P. Hvelplund, A.A. Andersen, Phys. Scr. 26, 375 (1982)Google Scholar
  117. 117.
    W. Schwab, G.B. Baptista, E. Justiniano, R. Schuch, H. Vogt, E.W. Weber, J. Phys. B 20, 2825 (1987)Google Scholar
  118. 118.
    M.B. Shah, P. McCallion, H.B. Gilbody, J. Phys. B 22, 3983 (1989)Google Scholar
  119. 119.
    M.M. Sant’Anna, W.S. Melo, A.C.F. Santos, M.B. Shah, G.M. Sigaud, E.C. Montenegro, J. Phys. B 33, 353 (2000)Google Scholar
  120. 120.
    H. Knudsen, H.K. Haugen, P. Hvelplund, Phys. Rev. A 24, 2287 (1981)Google Scholar
  121. 121.
    K.H. Berkner, W.G. Graham, R.V. Pyle, A.S. Schlachter, J.W. Stearns, Phys. Rev. A 23, 2891 (1981)Google Scholar
  122. 122.
    A. Müller, E. Salzborn, Phys. Lett. A 62A, 391 (1977)Google Scholar
  123. 123.
    S. Bliman, J. Aubert, R. Geller, B. Jacquot, D. Van Houtte, Phys. Rev. A 23, 1703 (1981)Google Scholar
  124. 124.
    S. Bliman, S. Dousson, B. Jacquot, D. Van Houtte, J. Physique 42, 1387 (1981)Google Scholar
  125. 125.
    T. Kusakabe, T. Horiuchi, N. Nagai, H. Hanaki, I. Konomi, M. Sakisaka, J. Phys. B 19, 2165 (1986)Google Scholar
  126. 126.
    I. Yamada, A. Danjo, K. Hosaka et al., in Abstracts of Contributed Papers of the 21st International Conference on the Physics of Electronic and Atomic Collisions, ed. by Y. Itikawa et al. (1999) p. 553Google Scholar
  127. 127.
    V.V. Afrosimov, A.A. Basalaev, E.D. Donets, N.N. Panov, JETP Lett. 31, 600 (1980)Google Scholar
  128. 128.
    M.N. Panov, A.A. Basalaev, K.O. Lozhkin, Phys. Scr. T3, 124 (1983)Google Scholar
  129. 129.
    C. Can, T.J. Grey, S.L. Varghese, J.M. Hall, L.N. Tunnell, Phys. Rev. A 31, 72 (1985)Google Scholar
  130. 130.
    S.H. Schwartz, A. Fardi, K. Haghighat, A. Langereis, H.T. Schmidt, H. Cederquist, Phys. Rev. A 63, 013201 (2001)Google Scholar
  131. 131.
    R.A. Phaneuf, Phys. Rev. A 28, 1310 (1983)Google Scholar
  132. 132.
    I. \(\mathrm{\check{C}}\)ade\(\mathrm{\check{z}}\), J.B. Greenwood, J. Lozano, R.J. Mawhorter, M. Niimura, S.J. Smith, A. Chutjian, J. Phys. B 36, 3303 (2003)Google Scholar
  133. 133.
    E. Justiniano, C.L. Cocke, T.J. Grey, R.D. DuBois, C. Can, W. Waggoner, R. Schuch, H. Schmidt-Böcking, H. Ingwersen, Phys. Rev. A 29, 1088 (1984)Google Scholar
  134. 134.
    D.H. Crandall, R.A. Phaneuf, F.W. Meyer, Phys. Rev. A 22, 379 (1980)Google Scholar
  135. 135.
    E. Salzborn, A. Müller, in Physics of Electronic and Atomic Collisions, ed. by N. Oda, K. Takayanagi (North-Holland, Amsterdam, 1980), pp. 407–426Google Scholar
  136. 136.
    H.A. Sakaue, A. Danjo, K. Hosaka et al., J. Phys. B 37, 403 (2004)Google Scholar
  137. 137.
    V.P. Shevelko, I.Yu. Tolstikhina, Th. Stöhlker, Nucl. Instr. Meth. B 184, 295 (2001)Google Scholar
  138. 138.
    R. Ito, T. Tabata, T. Shirai, R.A. Phaneuf, JAERI-M 93-117, JAERI (1993)Google Scholar
  139. 139.
    B.G. Lindsay, R.F. Stebbings, J. Geophys. Res. 110, A12213 (2005)Google Scholar
  140. 140.
    R.K. Janev, Phys. Lett. A 160, 67 (1991)Google Scholar
  141. 141.
    S. Sakabe, Y. Izawa, At. Data Nucl. Data Tables 49, 257 (1991)Google Scholar
  142. 142.
    S. Sakabe, Y. Izawa, Phys. Rev. A 45, 2086 (1992)Google Scholar
  143. 143.
    M. Imai, in Handbook of Atomic and Molecular Processes in Plasmas, ed. by S. Hamaguchi, I. Murakami, D. Kato, (Osaka Univ. Press 2011) in JapaneseGoogle Scholar

Copyright information

© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2012

Authors and Affiliations

  • M. Imai
    • 1
  1. 1.Department of Nuclear EngineeringKyoto UniversityKyotoJapan

Personalised recommendations