Poder de freamento e dispersão da perda de energia de prótons em filmes finos de platina : a importância do agrupamento de elétrons

Abstract

Neste trabalho foi determinado, por meio de medidas experimentais com a técnica medium-energy ion scattering, o poder de freamento e dispersão da perda de energia de prótons com energias intermediárias (60–250 keV) em filmes de Pt. Além disso, foi investigada a dispersão da perda de energia adicional de prótons com energias na faixa de baixas, médias e altas energias em materiais simples (C, Al, Si, Ni, Cu, Zn, Ge, Se, Pd, Ag, Sb, Pt, Au, Pb) com a finalidade de atualizar o ajuste realizado pela bem conhecida fórmula de Yang-O’Connor-Wang além de propor a interpretação física dessa equação. Os resultados para o poder de freamento do primeiro estudo concordam com medidas recentes (Primetzhofer Phys. Rev. B 86, 094102 (2012) e Moro, Bauer e Primetzhofer Phys. Rev. A 102, 022808 (2020)) e são bem descritos pelo modelo de gás de elétrons livres para projéteis de baixas energias. Já os resultados experimentais obtidos para dispersão da perda de energia de prótons em platina são fortemente subestimados pelas fórmulas bem estabelecidas na literatura por um fator dois. Alternativamente, foi proposto um modelo para a dispersão da perda de energia que leva em consideração o comportamento de um gás de elétrons não homogêneo, que foi baseado na função eletrônica de perda do material, juntamente com o efeito de agrupamento de elétrons. Esse modelo apresentou uma excelente concordância com os dados obtidos pelas análises de MEIS indicando que os valores elevados para a dispersão da perda de energia são devidos ao efeito de agrupamento de elétrons em um sistema eletrônico não homogêneo. Além disso, esse estudo mostra que efeitos não lineares são de menor importância para a dispersão da perda de energia. No segundo estudo foi refeito o ajuste da função ressonante deformada aos dados experimentais de dispersão da perda de energia que excedem o modelo proposto por Chu normalizados pelo valor do modelo de Bohr para a dispersão. Os ajustes foram comparados com cálculos de agrupamento de elétrons produzidos pelo programa CasP via correlação estatística. As análises mostraram que a função ajustada aos dados experimentais é fortemente correlacionada ao modelo teórico de agrupamento de elétrons, o que dá indícios de que a fórmula de Yang-O’Connor-Wang captou experimentalmente o efeito de agrupamento de elétrons da interação de prótons com a matéria.

In this work, the stopping power and energy-loss straggling of protons with medium energies (60–250 keV) in Pt films were determined by backscattering measurements with the mediumenergy ion scattering technique. In addition, it was investigated the excess energy-loss straggling (low, medium and high energies) of protons in simple materials (C, Al, Si, Ni, Cu, Zn, Ge, Se, Pd, Ag, Sb, Pt, Au, Pb) present in the literature with the goal to update the fit formula made by the well-known Yang-O’Connor-Wang formula and to demonstrate the physical interpretation of this equation. The stopping power results of the first study agree with recent measures (Primetzhofer Phys. Rev. B 86, 094102 (2012) and Moro, Bauer and Primetzhofer Phys. Rev. A 102, 022808 (2020)) and are well described by the free electron gas model for low-energy projectiles. Nevertheless, the straggling results are strongly underestimated by well-established formulas up to a factor of two. Alternatively, a model has been proposed for the energy-loss straggling that takes into account the inhomogeneous electron-gas response, based on the electronloss function of the material, along with bunching effects. This approach yields remarkable agreement with the experimental data, indicating that the observed enhancement in energy-loss straggling is due to bunching effects in an inhomogeneous electron system. Nonlinear effects are of minor importance for the energy-loss straggling. In the second study, the fit of the deformed resonant function was updated to the experimental data of energy-loss straggling that exceed the model proposed by Chu normalized by the value of the Bohr model for the straggling. The fits and the experimental data were compared with bunching effect calculations (produced by the CasP program) via statistical correlation. The analyzes showed that the function fitted to the experimental data is strongly correlated to the theoretical model of electron bunching and therefore the Yang-O’Connor-Wang formula experimentally captured the electron bunching effect.