This paper demonstrates that the transport coefficients of 4He+ in 4He can be calculated over wide ranges of E/N, the ratio of the electrostatic field strength to the gas number density, with the same level of precision as can be obtained experimentally if sufficiently accurate potential energy curves are available for the X2Σu+ and A2Σg+ states and one takes into account resonant charge transfer. We start by computing new potential energy curves for these states and testing their accuracy by calculating spectroscopic values for the separate states. It is established that the potentials obtained by extrapolation of results from d-aug-cc-pVXZ (X = 6, 7) basis sets using the CASSCF+MRCISD approach are each in exceptionally close agreement with the best potentials available and with experiment. The potentials are then used in a new computer program to determine the semi-classical phase shifts and the transport cross sections, and from these the gaseous ion transport coefficients are determined. In addition, new experimental values are reported for the mobilities of 4He+ in 4He at 298.7 K, as a function of E/N, where careful consideration is given to minimizing various sources of uncertainty. Comparison with previously measured values establishes that only one set of previous data is reliable. Finally, the experimental and theoretical ion transport coefficients are shown to be in very good to excellent agreement, once corrections are applied to account for quantum-mechanical effects.

1.
E. P. F.
Lee
,
L. A.
Viehland
,
R.
Johnsen
,
W. H.
Breckenridge
, and
T. G.
Wright
,
J. Phys. Chem. A
115
,
12126
(
2011
).
2.
A. A.
Buchachenko
and
L. A.
Viehland
,
J. Chem. Phys.
140
,
114309
(
2014
).
3.
W. D.
Tuttle
,
R. L.
Thorington
,
L. A.
Viehland
, and
T. G.
Wright
,
Mol. Phys.
113
,
3767
(
2015
).
4.
L. A.
Viehland
and
C.-L.
Yang
,
Mol. Phys.
113
,
3874
(
2015
).
5.
S. L.
Lin
and
E. A.
Mason
,
J. Phys. B
12
,
783
(
1979
).
6.
H. S. W.
Massey
and
R. A.
Smith
,
Proc. R. Soc. A
142
,
142
(
1933
).
7.
H. S. W.
Massey
and
C. B. O.
Mohr
,
Proc. R. Soc. A
144
,
188
(
1934
).
8.
A. M.
Tyndall
and
C. F.
Powell
,
Proc. R. Soc. A
134
,
125
(
1931
).
9.
J. A.
Hornbeck
,
Phys. Rev.
84
,
615
(
1951
).
10.
A. V.
Phelps
and
S. C.
Brown
,
Phys. Rev.
86
,
102
(
1952
).
11.
E. C.
Beaty
and
P. L.
Patterson
,
Phys. Rev. A
37
,
346
(
1965
).
12.
J. M.
Madson
,
H. J.
Oskam
, and
L. M.
Chanin
,
Phys. Rev. Lett.
15
,
1018
(
1965
).
13.
O. J.
Orient
,
Can. J. Phys.
45
,
4015
(
1967
).
14.
H.
Wei
and
R. J.
Le Roy
,
Mol. Phys.
104
,
147
(
2006
).
15.
T.
Holstein
,
J. Phys. Chem.
56
,
832
(
1952
).
16.
A.
Dalgarno
,
Philos. Trans. R. Soc., A
250
,
426
(
1958
).
17.
G.
Heiche
and
E. A.
Mason
,
J. Chem. Phys.
53
,
4687
(
1970
).
18.
S.
Sinha
,
S. L.
Lin
, and
J. N.
Bardsley
,
J. Phys. B
12
,
1613
(
1979
).
19.
P. N.
Reagan
,
J. C.
Browne
, and
F. A.
Matsen
,
Phys. Rev.
132
,
304
(
1963
).
20.
J. C.
Browne
,
J. Chem. Phys.
45
,
2707
(
1966
).
21.
B. K.
Gupta
and
F. A.
Matsen
,
J. Chem. Phys.
47
,
4860
(
1967
).
22.
S.
Weinbaum
,
J. Chem. Phys.
3
,
547
(
1935
).
23.
24.
R. J.
Damburg
and
R. Kh.
Propin
,
J. Phys. B
1
,
681
(
1968
).
25.
D. R.
Bates
and
R. H. G.
Reid
,
Adv. At. Mol. Phys.
4
,
13
(
1968
).
26.
27.
J. G.
Maas
,
N. P. F. B.
van Asselt
,
P. J. C. M.
Nowak
,
J.
Los
,
S. D.
Peyerimhoff
, and
R. J.
Beunker
,
Chem. Phys.
17
,
217
(
1976
).
28.
A.
Metropoulos
,
C. A.
Nicolaides
, and
R. J.
Buenker
,
Chem. Phys.
114
,
1
(
1987
).
29.
C. W.
Bauschlicher
, Jr.
,
H.
Partridge
, and
D.
Ceperley
,
Chem. Phys. Lett.
160
,
183
(
1989
).
30.
H. R.
Skullerud
and
P.-H.
Larsen
,
J. Phys. B
23
,
1017
(
1990
).
31.
J.
Ackermann
and
H.
Hogreve
,
Chem. Phys.
157
,
75
(
1991
).
32.
A.
Metropoulos
,
Y.
Li
,
G.
Hirsch
, and
R. J.
Buenker
,
Chem. Phys. Lett.
92
,
266
(
1992
).
33.
E. P. F.
Lee
,
J. Chem. Soc., Faraday Trans.
89
,
645
(
1993
).
34.
A.
Carrington
,
C. H.
Pyne
, and
P. J.
Knowles
,
J. Chem. Phys.
102
,
5979
(
1995
).
35.
N.
Yu
and
W. H.
Wing
,
Phys. Rev. Lett.
59
,
2055
(
1987
).
36.
W.
Cencek
and
J.
Rychlewski
,
J. Chem. Phys.
102
,
2533
(
1995
).
37.
W.
Cencek
and
J.
Rychlewski
,
Chem. Phys. Lett.
320
,
549
(
2000
).
38.
J.
Xie
,
B.
Poirier
, and
G. I.
Gellene
,
J. Chem. Phys.
122
,
184310
(
2005
).
39.
W.-C.
Tung
,
M.
Pavanello
, and
L.
Adamowicz
,
J. Chem. Phys.
136
,
104309
(
2012
).
40.
E. A.
Mason
and
E. W.
McDaniel
,
Transport Properties of Ions in Gases
(
Wiley
,
New York
,
1988
).
41.
J. W.
Schmidt
,
R. M.
Glavioso
,
E. F.
May
, and
M. R.
Moldover
,
Phys. Rev. Lett.
98
,
254504
(
2007
).
42.
H.-J.
Werner
,
P. J.
Knowles
,
G.
Knizia
,
F. R.
Manby
,
M.
Schütz
,
P.
Celani
,
T.
Korona
,
R.
Lindh
,
A.
Mitrushenkov
,
G.
Rauhut
,
K. R.
Shamasundar
,
T. B.
Adler
,
R. D.
Amos
,
A.
Bernhardsson
,
A.
Berning
,
D. L.
Cooper
,
M. J. O.
Deegan
,
A. J.
Dobbyn
,
F.
Eckert
,
E.
Goll
,
C.
Hampel
,
A.
Hesselmann
,
G.
Hetzer
,
T.
Hrenar
,
G.
Jansen
,
C.
Köppl
,
Y.
Liu
,
A. W.
Lloyd
,
R. A.
Mata
,
A. J.
May
,
S. J.
McNicholas
,
W.
Meyer
,
M. E.
Mura
,
A.
Nicklaß
,
D. P.
O’Neill
,
P.
Palmieri
,
D.
Peng
,
K.
Pflüger
,
R.
Pitzer
,
M.
Reiher
,
T.
Shiozaki
,
H.
Stoll
,
A. J.
Stone
,
R.
Tarroni
,
T.
Thorsteinsson
, and
M.
Wang
, MOLPRO, a package of ab initio programs, 2015, see http://www.molpro.net.
43.
H.-J.
Werner
,
P. J.
Knowles
,
G.
Knizia
,
F. R.
Manby
, and
M.
Schütz
,
WIREs Comput. Mol. Sci.
2
,
242
(
2012
).
44.
A.
Halkier
,
T.
Helgaker
,
P.
Jørgensen
,
W.
Klopper
,
H.
Koch
,
J.
Olsen
, and
A. K.
Wilson
,
Chem. Phys. Lett.
286
,
243
(
1998
).
45.
R.
Hellmann
,
E.
Bich
, and
E.
Vogel
,
Mol. Phys.
105
,
3013
(
2007
).
46.
See supplementary material at http://dx.doi.org/10.1063/1.4941775 for tables of the interaction potentials and information about the new computer program, QEx.
47.
R. J.
Le Roy
, “
Level 8.2: A computer program for solving the radial Schrodinger equation for bound and quasibound levels
,”
University of Waterloo Chemical Physics Research Report CP-668
,
2014
.
48.
M.
Raunhardt
,
M.
Schäfer
,
N.
Vanhaecke
, and
F.
Merkt
,
J. Chem. Phys.
128
,
164310
(
2008
).
49.
D.
Sprecher
,
J.
Liu
,
T.
Krähenmann
,
M.
Schäfer
, and
F.
Merkt
,
J. Chem. Phys.
140
,
064304
(
2014
).
50.
P.
Jansen
,
L.
Semeria
,
L. E.
Hofer
,
S.
Scheidegger
,
J. A.
Agner
,
H.
Schmutz
, and
F.
Merkt
,
Phys. Rev. Lett.
115
,
133202
(
2015
).
51.
H. T.
Wood
,
J. Chem. Phys.
54
,
977
(
1971
).
52.
L. A.
Viehland
and
M.
Hesche
,
Chem. Phys.
110
,
41
(
1986
).
53.
L. A.
Viehland
and
E. A.
Mason
,
Ann. Phys.
110
,
287
(
1978
).
54.
R. J.
Munn
,
E. A.
Mason
, and
F. J.
Smith
,
J. Chem. Phys.
41
,
3978
(
1964
).
55.
R. R.
Herm
,
J. Chem. Phys.
47
,
4290
(
1967
).
56.
W. H.
Miller
,
J. Chem. Phys.
48
,
1651
(
1968
).
57.
J. N. L.
Connor
,
Mol. Phys.
23
,
717
(
1972
).
58.
L. A.
Viehland
and
Y.
Chang
,
Comput. Phys. Commun.
181
,
1687
(
2010
).
59.
N.
Lynn
and
B. L.
Moiseiwitsch
,
Proc. Phys. Soc., Sect. A
70
,
474
(
1957
).
60.
L. A.
Viehland
and
E. A.
Mason
,
Ann. Phys.
91
,
499
(
1975
).
61.
Yu. P.
Mordvinov
and
B. M.
Smirnov
,
Sov. Phys. JETP
21
,
91
(
1965
).
62.
63.
T.
Dote
and
M.
Shimada
,
J. Phys. Soc. Jpn.
50
,
1608
(
1981
).
64.
S. L.
Lin
,
L. A.
Viehland
, and
E. A.
Mason
,
Chem. Phys.
37
,
411
(
1979
).
65.
L. A.
Viehland
and
S. L.
Lin
,
Chem. Phys.
43
,
135
(
1979
).
66.
67.
A.
Yousef
,
S.
Shrestha
,
L. A.
Viehland
,
E. P. F.
Lee
,
B. R.
Gray
,
V. L.
Ayles
,
T. G.
Wright
, and
W. H.
Breckenridge
,
J. Chem. Phys.
127
,
154309
(
2007
).
68.
A. M.
Gardner
,
C. D.
Withers
,
T. G.
Wright
,
K. I.
Kaplan
,
C. Y. N.
Chapman
,
L. A.
Viehland
,
E. P. F.
Lee
, and
W. H.
Breckenridge
,
J. Chem. Phys.
132
,
054302
(
2010
).
69.
A. S.
Dickinson
,
M. S.
Lee
, and
L. A.
Viehland
,
J. Phys. B
32
,
4919
(
1999
).
71.
R.
Johnsen
,
M. T.
Leu
, and
M. A.
Biondi
,
Phys. Rev. A
8
,
2557
(
1973
).
72.
M. J.
Hogan
,
J. Chem. Phys.
125
,
164325
(
2006
).
73.
A. M.
Tyndall
and
C. F.
Powell
,
Proc. R. Soc. A
129
,
162
(
1930
).
74.
A. M.
Tyndall
and
A. F.
Pearce
,
Proc. R. Soc. A
149
,
426
(
1935
).
75.
M. A.
Biondi
and
S. C.
Brown
,
Phys. Rev.
75
,
1700
(
1949
).
76.
M. A.
Biondi
and
L. M.
Chanin
,
Phys. Rev.
94
,
910
(
1954
).
77.
L. M.
Chanin
and
M. A.
Biondi
,
Phys. Rev.
106
,
473
(
1957
).
78.
H. J.
Oskam
and
V. R.
Mittelstadt
,
Phys. Rev.
132
,
1435
(
1963
).
79.
R.
Hackam
and
J. J.
Lennon
,
Proc. Phys. Soc.
84
,
133
(
1964
).
80.
E. C.
Beaty
,
J. C.
Browne
, and
A.
Dalgarno
,
Phys. Rev. Lett.
16
,
723
(
1966
).
81.
P. L.
Patterson
,
J. Chem. Phys.
48
,
3625
(
1968
).
82.
P. L.
Patterson
,
Phys. Rev. A
2
,
1154
(
1970
).
83.
R. A.
Gerber
and
M. A.
Gusinow
,
Phys. Rev. A
4
,
2027
(
1971
).
84.
B. L.
Henson
,
Phys. Rev. A
15
,
1680
(
1977
).
85.
N.
Peska
, Ph.D. dissertation,
Leopold-Franzens-Universität
,
1981
.
86.
H. W.
Ellis
,
R. Y.
Pai
,
E. W.
McDaniel
,
E. A.
Mason
, and
L. A.
Viehland
,
At. Data Nucl. Data Tables
17
,
177
(
1976
).
87.
D. M.
Danailov
,
L. A.
Viehland
,
R.
Johnsen
,
T. G.
Wright
, and
A. S.
Dickinson
,
J. Chem. Phys.
128
,
134302
(
2008
).
88.
M.
Waldman
and
E. A.
Mason
,
Chem. Phys.
58
,
121
(
1981
).
89.
R.
Johnsen
,
A.
Chen
, and
M. A.
Biondi
,
J. Chem. Phys.
73
,
1717
(
1981
).
90.
R.
Johnsen
and
M. A.
Biondi
,
Phys. Rev. A
20
,
87
(
1979
).
91.
R.
Johnsen
and
M. A.
Biondi
,
Phys. Rev. A
18
,
996
(
1978
).
92.
M.
Waldman
,
E. A.
Mason
, and
L. A.
Viehland
,
Chem. Phys.
66
,
339
(
1982
).
93.
T.
Stefánsson
,
T.
Berge
,
R.
Lausund
, and
H. R.
Skullerud
,
J. Phys. D
21
,
1359
(
1988
).
94.
H. R.
Skullerud
,
T.
Eide
, and
T.
Stefánsson
,
J. Phys. D
19
,
197
(
1986
).
95.
J. L.
Moruzzi
and
L.
Harrison
,
Int. J. Mass Spectrom. Ion Phys.
13
,
163
(
1974
).
96.
K.
Naveed-Ullah
,
D.
Mathur
, and
J. B.
Hasted
,
Int. J. Mass Spectrom. Ion Phys.
26
,
91
(
1978
).
97.
P. P.
Ong
,
D.
Mathur
,
M. H.
Khatri
,
J. B.
Hasted
, and
M.
Hamdan
,
J. Phys. D
14
,
633
(
1981
).
98.
H. A.
Fhadil
,
D.
Mathur
, and
J. B.
Hasted
,
J. Phys. B
15
,
1443
(
1982
).
99.
P. P.
Ong
and
M. J.
Hogan
,
J. Phys. B
18
,
1897
(
1985
).
100.
C.
Cercignani
and
F.
Sharipov
,
Phys. Fluids A
4
,
1283
(
1992
).
101.
R.
Johnsen
and
B. K.
Chatterjee
,
J. Vac. Sci. Technol., A
29
,
011002
(
2011
).
102.
R. A.
Dressler
,
H.
Meyer
,
A. O.
Langford
,
V. M.
Bierbaum
, and
S. R.
Leone
,
J. Chem. Phys.
87
,
5578
(
1987
).
103.
R. A.
Dressler
,
J. P. M.
Beijers
,
H.
Meyer
,
S. M.
Penn
,
V. M.
Bierbaum
, and
S. R.
Leone
,
J. Chem. Phys.
89
,
4707
(
1988
).
104.
S. M.
Penn
,
J. P. M.
Beijers
,
R. A.
Dressler
,
V. M.
Bierbaum
, and
S. R.
Leone
,
J. Chem. Phys.
93
,
5118
(
1990
).
105.
M. J.
Bastian
,
C. P.
Lauenstein
,
V. M.
Bierbaum
, and
S. R.
Leone
,
J. Chem. Phys.
98
,
9496
(
1993
).
106.
H.
Tagashira
,
Y.
Sakai
, and
S.
Sakamoto
,
J. Phys. D
10
,
1051
(
1977
).
107.
K.
Kondo
and
H.
Tagashira
,
J. Phys. D
23
,
1175
(
1990
).
108.
109.
E.
Basurto
,
J.
de Urquijo
,
I.
Alvarez
, and
C.
Cisneros
,
Phys. Rev. E
61
,
3053
(
2000
).
110.
See http://www.icecat.laplace.univ-tlse.fr for tables of experimental and theoretical gaseous ion transport coefficients.

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.