Analytical proposal for the assessment of the molecular excitation levels to the mean excitation energy: Application to the water molecule

Abstract

Una de las magnitudes de mayor relevancia en la física de radiaciones, en general, y en la determinación del poder de frenado, en particular, así como el consecuente depósito de energía y dosis absorbida en distintos materiales, es la energía media de excitación hIi. El presente trabajo reporta una metodología original para un abordaje analítico describiendo en detalle las contribuciones parciales debido a excitaciones/ionizaciones que permite establecer un marco referencial para el cálculo teórico de hIi. Para ello, se emplean dos modelos de respuesta dieléctrica de los materiales, concluyendo que un decaimiento del orden de ω −2 es necesario como condición débil para que la función óptica de pérdida de energía asegure la convergencia de las integrales. Se discuten los primeros cuatro niveles de excitación de la molécula de agua y las bandas difusas, y se las trata mediante un esquema analítico. Dichos resultados son contrastados con el cálculo numérico de las integrales, proveyendo un método teórico para la determinación de la contribución de estos niveles al valor de hIi en el caso del agua líquida.

The mean excitation energy hIi is a fundamental quantity in radiation physics, concerning energy deposition in matter and absorbed dose analytical estimations for charged particles. The stopping of swift ions in different materials strongly depends on this parameter among others. This work intends to fill in part, an empty hole in the theory of stopping power: the need of analitically and theoretically assess the hIi-value for materials. The definition of the mean excitation energy using the dielectric response function is analytically integrable if the inelastic cross section parameters are known. Some dielectric models were studied, aimed at calculating the hIi-value for liquid water by theoretical means, reaching the conclusion that a decay of the order of ω −2 in frequency (energy) is needed as weak condition of the optical energy-loss function for the integrals to converge. Afterwards, the first four discrete excitation levels and the diffuse bands for water are treated in a fully analytical scheme, and further compared with numerical results, providing the contribution of these levels to hIi, with the aim of testing the proposed analytical model.