Étude théorique de la dynamique de systèmes quantiques à petit nombre de corps : structure et dynamique de formation de la molécule H3¯ dans l'espace

par Mehdi Adrien Ayouz

Thèse de doctorat en Physique. Optique, matière et plasmas

Sous la direction de Olivier Dulieu et de Jacques Robert.

Soutenue en 2010

à Paris 11 , en partenariat avec Université de Paris-Sud. Faculté des sciences d'Orsay (Essonne) (autre partenaire) .

mots clés

• Structure et dynamique
• Sections efficaces (physique nucléaire)
• Espace extra-atmosphérique
• Surfaces d'énergie potentielle
• Moments dipolaires

Résumé

La molécule H3¯ est considérée comme l'anion triatomique le plus simple, constitue un système prototype permettant de tester les méthodes numériques et les modèles théoriques avant leur application sur des systèmes plus complexes. Pour étudier cette molécule et décrire sa dynamique nous avons déterminé les surfaces d'énergie potentielle et de moment dipolaire permanent de son état fondamental. A l'aide de la surface d'énergie potentielle nous avons établi la structure de cette molécule et de ses isotopologues. Nous avons développé un modèle pour la formation de cette même molécule dans le milieu interstellaire froid et dense via le processus d'association radiative H2 + H¯ → H3¯ + hbar ω. La surface de moment dipolaire permanent nous a permis de calculer le taux de formation de H3¯ dans ce type de milieu. Il apparaît alors que la formation de cette molécule est plus probable lors d'une collision H¯ sur para-H2. Une éventuelle observation de la molécule dans le milieu interstellaire serait la preuve de la présence de l'ion H¯. Ce dernier joue un rôle important dans la chimie de ces milieux et plus particulièrement dans le processus de formation des ions négatifs. Enfin des développements méthodologiques et numériques ont également été réalisés pour une description de la dynamique de la molécule H3¯ en coordonnées collectives ainsi que pour le calcul des sections efficaces de collisions avec échange de noyaux dans ses isotopologues.

Titre traduit

Theorical study of the dynamics of small quantum systems : structure and dynamics of the formation of H3¯ in space

Résumé

The H3¯ molecule, considered as the simplest negative triatomic molecular ion, is a benchmark system because it allows testing theoretical and numerical methods due to its weak particle mass, prior to be applied to heavier species. To study this molecule and describe its dynamics, we have determined the ground potential energy and permanent dipole moment surfaces. Using the potential energy surface we established the structure of this molecule and its isotopologues. We have developed a theory of radiative association (RA) of H2 + H¯ → H3¯ + hbar ω which could occur in cold and dense interstellar medium (ISM). The obtained permanent dipole moment surface allows us to calculate the formation rate of this molecule in this medium. It appears that the formation is possible for H¯ and para H2 collisions. An eventual observation of H3¯ would be a proof for the presence of H¯ in the interstellar medium. This ion is known to play a role in ISM chemistry especially in the formation process of negative ions. Finally a methodological and numerical developments have been also carried out in order to describe the dynamics of H3¯ in collectives coordinates and compute cross sections for exchange nuclei in its isotopologues.