Laboratory studies of reactions of O+ and N+ ions with molecular hydrogen and its isotopologues, HD and D2, at low temperatures

Abstract

This work is focused on the laboratory studies of reactions of O+ and N+ ions with molecular hydrogen and its isotopologues, HD (hydrogen deuteride) and D2. The experimental studies were performed using a 22-pole radiofrequency ion trap in the temperature range from 15 K to 300 K. The temperature dependencies of measured reaction rate coefficients are presented for all reactions. Studied reactions are important for astrochemistry. The reaction of O+ with H2 initiates a water production sequence in the interstellar medium, and the rate coefficient does not change dramatically with temperatures in the covered range. The measured rate coefficients for reactions of O+ with H2, HD, and D2 are close to the corresponding Langevin rate coefficients. The reaction of O+ with HD has two reaction channels with products, OH+ and OD+. The ratio of rate coefficient of the OH+ production channel to the total reaction rate coefficient is close to 0.5 in the studied temperature range. The reaction of N+ with H2 initiates the ammonia production sequence in the interstellar medium. This reaction has activation energy on the order of a few meV, which is significant in the conditions of the interstellar medium. For reactions of N+ with H2 and its isotopologues, activation energies were determined from measured...

Tato práce je zaměřena na laboratorní studium reakcí iontů O+ a N+ s molekulárním vodíkem a jeho izotopology HD (deuterid vodíku) a D2. Experimentální studia byla provedena pomocí 22-polové radiofrekvenční iontové pasti při teplotách od 15 K do 300 K. Teplotní závislosti měřených reakčních koeficientů jsou prezentovány pro všechny reakce. Studované reakce jsou důležité pro astrochemii. Reakce O+ s H2 zahajuje sekvenci reakcí produkujících vodu v mezihvězdném prostředí a rychlostní koeficient této reakce se dramaticky nemění s teplotou v daném rozsahu. Získané hodnoty rychlostních koeficientů reakcí O+ s H2, HD a D2 jsou blízké hodnotám odpovídajících Langevinových rychlostních koeficientů. Reakce O+ s HD má dva kanály produkující OH+ nebo OD+. Poměr rychlostního koeficientu kanálu produkujícího OH+ vůči celkovému rychlostnímu koeficientu je blízký hodnotě 0,5 pro celý teplotní rozsah, pro který byla reakce studována. Reakce N+ s H2 zahajuje sekvenci reakcí produkující amoniak v mezihvězdném prostředí. Tato reakce má aktivační energii v řádu několika meV, která hraje výraznou roli při podmínkách panujících v mezihvězdném prostředí. Aktivační energie reakcí N+ s H2 a jeho izotopology byly určeny z měřených teplotních závislostí.