Interaction of sodium atoms with molecular nitrogen in the upper atmosphere of the earth

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

In recent years numerous satellite data on the yellow glow of the sodium layer (located at an altitude of 85–95 km from the Earth’s surface) have become available. Studies of optical activity at sodium D-line frequencies are necessary for a better understanding of the plasma-chemical processes occurring in the mesosphere. It should be taken into account that these processes occur in a neutral environment, where the molecular nitrogen is general component. In this work the analytical numerical expressions for the elements of 3´3 matrix of interaction between Na(2Pj) and N2(X 1Sg+) and interaction potential between Na(2S1/2) and N2(X 1Sg+) were obtained at medium and large interpartical distances that determine radiation lines collisional broadening. The exchange, quadrupole–quadrupole, dispersion, and spin–orbit interactions were taken into account. Exchange interaction between the valence Na electron and N2(X 1Sg+) molecule was described by the local Hellman pseudopotential. The effect of the overlap between Na(2S1/2, 2Pj) and N2(X 1Sg+) electron densities was taken into account evaluating long-range quadrupole–quadrupole and dispersion interactions.

Full Text

Restricted Access

About the authors

S. Y. Umanskii

Semenov Federal Research Center for Chemical Physics, Russian Academy of Sciences

Email: golubkov@chph.ras.ru
Russian Federation, Moscow

S. O. Adamson

Semenov Federal Research Center for Chemical Physics, Russian Academy of Sciences

Email: golubkov@chph.ras.ru
Russian Federation, Moscow

A. S. Vetchinkin

Semenov Federal Research Center for Chemical Physics, Russian Academy of Sciences

Email: golubkov@chph.ras.ru
Russian Federation, Moscow

G. V. Golubkov

Semenov Federal Research Center for Chemical Physics, Russian Academy of Sciences; National Research Center “Kurchatov Institute”

Email: golubkov@chph.ras.ru
Russian Federation, Moscow; Moscow

M. A. Deminskii

Kintech Lab

Email: golubkov@chph.ras.ru
Russian Federation, Moscow

O. A. Olkhov

Semenov Federal Research Center for Chemical Physics, Russian Academy of Sciences

Email: golubkov@chph.ras.ru
Russian Federation, Moscow

I. G. Stepanov

Semenov Federal Research Center for Chemical Physics, Russian Academy of Sciences

Email: golubkov@chph.ras.ru
Russian Federation, Moscow

Y. A. Chaikina

Semenov Federal Research Center for Chemical Physics, Russian Academy of Sciences

Email: golubkov@chph.ras.ru
Russian Federation, Moscow

A. I. Shushin

Semenov Federal Research Center for Chemical Physics, Russian Academy of Sciences

Email: golubkov@chph.ras.ru
Russian Federation, Moscow

M. G. Golubkov

Федеральный исследовательский центр химической физики им. Н.Н. Семёнова Российской академии наук

Author for correspondence.
Email: golubkov@chph.ras.ru
Russian Federation, Москва

References

  1. M.G. Golubkov, A.V. Dmitriev, A.V. Suvorova, and G.V. Golubkov, Russ. J. Phys. Chem. B 16, 537 (2022). https://doi.org/10.1134/S199079312203006X
  2. V.L. Frolov, Y.Y. Kulikov, and A.V. Troitsky, Russ. J. Phys. Chem. B 16, 965 (2022). https://doi.org/10.1134/S1990793122050190
  3. G.V. Golubkov, S.O. Adamson, O.P. Borchevkina, et al., Russ. J. Phys. Chem. B 16, 508 (2022). https://doi.org/10.1134/S1990793122030058
  4. N.V. Bakhmetieva and I.N. Zhemyakov, Russ. J. Phys. Chem. B 16, 990 (2022). https://doi.org/10.1134/S1990793122050177
  5. B.R. Clemesha, Adv. Sp. Res. 10, 59 (1990). https://doi.org/10.1016/0273-1177(90)90010-W
  6. B.R. Clemesha, P.P. Batista, D. M. Simonich, and I.S. Batista, J. Geophys. Res. Atmos 109, D11306 (2004). https://doi.org/10.1029/2003JD004496
  7. D.R. Marsh, D. Janches, W. Feng, and J. M. C. Plane, J. Geophys. Res. Atmos. 118, 11442 (2013). https://doi.org/10.1002/jgrd.50870
  8. J.M.C. Plane, W. Feng, and E. C. M. Dawkins, Chem. Rev. 115, 4497 (2015). https://doi.org/10.1021/cr500501m
  9. M.P. Langowski, C. von Savigny, J. P. Burrows, et al., Atmos. Meas. Tech. 9, 295 (2016). https://doi.org/10.5194/amt-9-295-2016
  10. Y.B. Kumar, P.V. Prasanth, D.N. Rao, et al., Earth, Planets Sp. 59, 601 (2007); https://doi.org/10.1186/BF03352722
  11. C.S. Gardner and A.Z. Liu, J. Geophys. Res. Atmos. 115, D20302 (2010). https://doi.org/10.1029/2010JD014140
  12. N. Moussaoui, B.R. Clemesha, R. Holzlöhner, et al., Astron. Astrophys. 511, A31 (2010). https://doi.org/10.1051/0004-6361/200913281
  13. Y. Xun, G. Yang, J. Wang, et al., Atmosphere 11, 284 (2020); https://doi.org/10.3390/atmos11030284
  14. X. Cheng, G. Yang, T. Yuan, et al., Remote Sens. 12, 3678 (2020). https://doi.org/10.3390/rs12223678
  15. B.R. Clemesha, M.P.P. Martins Jorge, D. M. Simonich, and P.P. Batista, Adv. Sp. Res. 19, 681 (1997). https://doi.org/10.1016/S0273-1177(97)00163-4
  16. N. Allard and J. Kielkopf, Rev. Mod. Phys. 54, 1103 (1982). https://doi.org/10.1103/RevModPhys.54.1103
  17. A.V. Demura, S.Y. Umanskii, A.V. Scherbinin, and A.V. Zaitsevskii, J. Phys. Conf. Ser. 397, 012033 (2012). https://doi.org/10.1088/1742-6596/397/1/012033
  18. S.Y. Umanskii, S. O. Adamson, A. S. Vetchinkin, et al., Russ. J. Phys. Chem. B 17, 346 (2023). https://doi.org/10.1134/S199079312302032X
  19. C. Bottcher, Chem. Phys. Lett. 35, 367 (1975). https://doi.org/10.1016/0009-2614(75)85621-1
  20. P. Habitz, Chem. Phys. 54, 131 (1980). https://doi.org/10.1016/0301-0104(80)80043-7
  21. P. Archirel and P. Habitz, Chem. Phys. 78, 213 (1983). https://doi.org/10.1016/0301-0104(83)85108-8
  22. D. Poppe, D. Papierowska-Kaminski, and V. Bonačić-Koutecký, J. Chem. Phys. 86, 822 (1987). https://doi.org/10.1063/1.452761
  23. R. Goldstein, J. Grosser, O. Hoffmann, et al., J. Chem. Phys. 114, 2144 (2001). https://doi.org/10.1063/1.1337060
  24. M. Jungen, Helv. Chim. Acta 84, 1459 (2001). https://doi.org/10.1002/1522-2675(20010613)84: 6<1459::AID-HLCA1459>3.0.CO;2-J
  25. C. Figl, R. Goldstein, J. Grosser, O. Hoffmann, and F. Rebentrost, J. Chem. Phys. 121, 11068 (2004). https://doi.org/10.1063/1.1818121
  26. F. Rebentrost, C. Figl, R. Goldstein, et al., J. Chem. Phys. 128, 1 (2008). https://doi.org/10.1063/1.2928716
  27. E. Nikitin and S. Y. Umanskii, Theory of slow atomic collisions (Springer, Heidelberg, 1984). https://doi.org/10.1007/978-3-642-82045-8
  28. E. E. Nikitin and S. Y. Umanskii, Theor. Chim. Acta. 28, 121 (1973). https://doi.org/10.1007/BF00528656
  29. A. I. Reznikov and S. Y. Umanskii, Russ. J. Phys. Chem. 76, S13 (2002).
  30. A. I. Reznikov, S. Y. Umanskii, and Y. A. Chaikina, Russ. J. Phys. Chem. B 1, 435 (2007). https://doi.org/10.1134/S1990793107050016
  31. V. M. Galitsky, E. E. Nikitin, and B. M. Smirnov, Theory of atomic particles collisions (Nauka, Moscow, 1981).
  32. H. Hellmann, J. Chem. Phys. 3, 61 (1935). https://doi.org/10.1063/1.1749559
  33. H. Hellmann, Quantum chemistry (State Publication of technical and Theoretical literature, Moscow, Leningrad, 1937).
  34. P. Gombash, Many-particle problem in quantum mechanics (Inostrannaya Literatura, Moscow, 1952).
  35. W.E. Baylis, J. Chem. Phys. 51, 2665 (1969). https://doi.org/10.1063/1.1672393
  36. J. Pascale and J. Vandeplanque, J. Chem. Phys. 60, 2278 (1974). https://doi.org/10.1063/1.1681360
  37. K.J. Wahlstrand , R.W. Numrich, J.S. Dahler, and S.E. Nielsen, J. Phys. B At. Mol. Phys. 10, 1687 (1977). https://doi.org/10.1088/0022-3700/10/9/019
  38. E. Czuchaj and J. Sienkiewicz, Z. Naturforsch. A 34, 694 (1979). https://doi.org/10.1515/zna-1979-0604
  39. R. Düren and G. Moritz, J. Chem. Phys. 73, 5155 (1980). https://doi.org/10.1063/1.439994
  40. S.V. Khristenko, A.I. Maslov, and V. P. Shevelko, Molecules and Their Spectroscopic Properties (Springer Berlin Heidelberg, Berlin, Heidelberg, 1998). https://doi.org/10.1007/978-3-642-71946-2
  41. D. Rapp and C.M. Chang, J. Chem. Phys. 57, 4283 (1972). https://doi.org/10.1063/1.1678060
  42. D. Rapp and C.M. Chang, J. Chem. Phys. 58, 2657 (1973). https://doi.org/10.1063/1.1679551
  43. P.G. Burke and N. Chandra, J. Phys. B At. Mol. Phys. 5, 1696 (1972). https://doi.org/10.1088/0022-3700/5/9/013
  44. L.R. Kahn, P. Baybutt, and D.G. Truhlar, J. Chem. Phys. 65, 3826 (1976). https://doi.org/10.1063/1.432900
  45. E. Czuchaj, J. Sienkiewicz, and W. Miklaszewski, Chem. Phys. 116, 69 (1987). https://doi.org/10.1016/0301-0104(87)80069-1
  46. J.R. Trail and R.J. Needs, J. Chem. Phys. 146, 204107 (2017). https://doi.org/10.1063/1.4984046
  47. S.O. Adamson, D.D. Kharlampidi, G. V. Golubkov, et al., Russ. J. Phys. Chem. B 14, 235 (2020). https://doi.org/10.1134/S1990793120020165
  48. S.O. Adamson, D.D. Kharlampidi, G.V. Golubkov, et al., Russ. J. Phys. Chem. B 14, 742 (2020). https://doi.org/10.1134/S1990793120050164
  49. L.D. Landau, E.M. Lifshitz, Quantum mechanics (Pergamon Press, Oxford, New York, Frankfurt, 1977).
  50. D.A. Varshalovich, A.N. Moskalev, and V.K. Khersonskii, Quantum theory of angular momentum (Nauka, Leningrad, 1975).
  51. G. Maroulis, J. Chem. Phys. 118, 2673 (2003). https://doi.org/10.1063/1.1535443
  52. J. Kobus, Phys. Rev. A 91, 022501 (2015). https://doi.org/10.1103/PhysRevA.91.022501
  53. B. J. Ransil, Rev. Mod. Phys. 32, 245 (1960). https://doi.org/10.1103/RevModPhys.32.245
  54. I. I. Sobelman, Introduction to the theory of atomic spectra (Pergamon press, Oxford, 1972). https://doi.org/10.1016/C2013-0-02394-8
  55. B.C. Carlson and G.S. Rushbrooke, Math. Proc. Camb. Philos. Soc. 46, 626 (1950). https://doi.org/10.1017/S0305004100026190
  56. C.G. Gray, Can. J. Phys. 46, 135 (1968). https://doi.org/10.1139/p68-020
  57. K.T. Tang and J.P. Toennies, J. Chem. Phys. 68, 5501 (1978). https://doi.org/10.1063/1.435678
  58. K.T. Tang and J.P. Toennies, J. Chem. Phys. 80, 3726 (1984). https://doi.org/10.1063/1.447150
  59. G.D. Mahan, J. Chem. Phys. 48, 950 (1968). https://doi.org/10.1063/1.1668749
  60. G.D. Mahan, J. Chem. Phys. 50, 2755 (1969). https://doi.org/10.1063/1.1671441
  61. B. Amaee and C. Bottcher, J. Phys. B At. Mol. Phys. 11, 1249 (1978). https://doi.org/10.1088/0022-3700/11/7/022
  62. A.I. Reznikov and S.Y. Umanskii, Khim. Fiz. 23, 5 (2004).
  63. D.E. Weeks, T.A. Niday, and S.H. Yang, J. Chem. Phys. 125, 1 (2006). https://doi.org/10.1063/1.2222369
  64. F. Rebentrost and W.A. Lester, J. Chem. Phys. 64, 3879 (1976). https://doi.org/10.1063/1.432705
  65. M.H. Alexander and M. Yang, J. Chem. Phys. 103, 7956 (1995). https://doi.org/10.1063/1.470213

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. The coordinate systems K(xyz) and K1(x1y1z1) used in constructing the wave functions of the correct symmetry of the Na–N2 system corresponding to the LM set. Here R is the vector between the center of mass of the N2 molecule and the nucleus of the Na atom, r and r1 are the radius vectors of the valence electron of the Na atom in the coordinate systems K and K1, respectively; Q is the angle between the vector R and the direction of the axis of the N2 molecule.

Download (25KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Coordinate systems K0(x0y0z0), K1(x1y1z1) and K2(x2y2z2) used in calculating the matrix elements and . Here R is the vector between the center of mass of the N2 molecule and the nucleus of the Na atom; r0, r1 and r2 are the radius vectors of the valence electron of the Na atom in the coordinate systems K0, K1 and K2, respectively; Q is the angle between the vector R and the direction of the axis of the N2 molecule.

Download (37KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».