19220

ИОНИЗАЦИЯ И ВОЗБУЖДЕНИЕ ЧАСТИЦ В ГАЗЕ

Лекция

Физика

ИОНИЗАЦИЯ И ВОЗБУЖДЕНИЕ ЧАСТИЦ В ГАЗЕ Плазму как среду состоящую из заряженных частиц характеризует степень ионизации или соотношение между количеством заряженных и нейтральных частиц: концентрация электронов конц...

Русский

2013-07-11

163 KB

13 чел.

ИОНИЗАЦИЯ И ВОЗБУЖДЕНИЕ ЧАСТИЦ В ГАЗЕ

  Плазму, как среду, состоящую из заряженных частиц, характеризует степень ионизации  или соотношение между количеством заряженных и нейтральных частиц:

                        

       - концентрация электронов, - концентрация атомов

В случае низкотемпературной плазмы, когда температура составляет Тe0,1-1 эВ, степень ионизации невелика 0,01-0,1. Это присуще ряду газовых разрядов: тлеющему, дуговому, искровому и т.д. С другой стороны, высокотемпературная водородная плазма при температуре Тe=1-10 кэВ практически полностью ионизована и  ~1. Такая ситуация реализуется на установках по получению управляемого термоядерного синтеза: токамаках, магнитных ловушках, пинчах и т.д.

       Ввиду изначального присутствия заряженных частиц весьма важными при рассмотрении плазмы являются процессы, связанные с ионизацией нейтральных частиц и их возбуждением. Приведем классификацию процессов, свойственных низкотемпературной плазме:

1) Упругие процессы, которые происходят при столкновении заряженных и нейтральных частиц. При каждом упругом столкновении частица теряет часть своей энергии. Для столкновения электрона и молекулы – это приблизительно 10-4 часть исходной энергии электрона. Ввиду этого, чтобы отдать значительную часть своей энергии, электрон должен совершить около 104 столкновений.

2) Неупругие процессы, приводящие к возбуждению и ионизации нейтральных частиц при их взаимодействии с заряженными частицами и фотонами. Наиболее важным видом ионизации является процесс, связанный с электронным ударом. Тем не менее, определенный вклад в ионизацию вносят процессы ионизации ионами и нейтральными частицами. Для ряда газовых разрядов имеют значение фотоионизация квантами ультрафиолетового диапазона, а также термоионизация, учитывающая суммарный эффект увеличения температуры газа. При возбуждении электронами нейтральных частиц наиболее важными являются процессы, приводящие к возбуждению электронных (метастабильных) состояний и молекулярных колебаний, и процесс диссоциации молекул.

3) Образование отрицательных ионов (прилипание), свойственное низкотемпературной плазме, т.к. энергия связи электрона с атомом (молекулой) при этом достаточно мала (Е=0,1-3 эВ) и при повышении температуры газовой среды отрицательные ионы разрушаются.         

       При рассмотрении упругих столкновений частиц важной характеристикой является сечение процесса  , которое в случае идеального газа имеет порядок  10-16 см2. Упругое столкновение электрона с атомами и молекулами представляет собой взаимодействие электрона со сложным силовым полем нейтральной частицы. Сечение данного процесса  зависит от энергии электрона, и, как правило, находится экспериментально. Для учета рассеяния электрона на различные углы вводится так называемое транспортное сечение:

                    

Где   - средний косинус угла рассеяния. Эффективная частота столкновений и длина пробега при этом выражаются соответственно:

                    

                                                                                  

  В низкотемпературной плазме отдельные взаимодействия описываются потенциалом, имеющим следующий вид:

              

В данной формуле - постоянный коэффициент, а знак плюс или минус выбирается в зависимости от отталкивания или притяжения соответственно. Показатель степени n=1 полагается при кулоновском взаимодействии, n=4 описывает случай индуцированного взаимодействия электронов или ионов с поляризованной молекулой, обладающей дипольным моментом, и для взаимодействия поляризованных молекул иногда используют потенциал с n=9-15.                     

       Рассмотрим основные результаты, связанные с выводом формулы Резерфорда, необходимой для получения кулоновского сечения заряженных частиц. Формула для числа частиц, рассеянных в 1 с в телесный угол  на рассеивающем центре (1) с зарядом  +Ze (рис.1) имеет вид:

                         

В данной формуле n - концентрация рассеиваемых частиц (2), v - их скорость, () -кулоновское сечение. Заряд каждой частицы  +ze.

                                                    Рис.1

                                                                                                     

      Взаимодействие налетающей частицы (2) и рассевающего центра (1) рассматривается в системе центра масс (Ц -системе) и описывается потенциалом:

                                 

      Для угла рассеивания    записываются следующие выражения:

                                                           

Где М -приведенная масса, v0 –скорость налетающей частицы в Ц -системе.

       Дифференциальное сечение кулоновского взаимодействия выражается как:

                      

       Окончательный вариант формулы Резерфорда для сечения имеет вид:

                      

               

  Одной из первых формул для ионизации атома электронным ударом явилась формула Томсона (1912 г.). Ее вывод был основан на представлениях классической механики и электродинамики. Ионизация атома представляется в виде формулы:

              e- + A  2e- + A+

Томсон исходил из представления, что столкновение электрона происходит с валентным электроном атома, которому в результате столкновения передается энергия E>I (I – энергия ионизации). В момент столкновения связью валентного электрона и атома можно пренебречь. Это существенно упрощает вывод. Рассмотрим столкновение электрона и атома в Ц–системе. В силу слабой связи валентного электрона и атома рассматривается взаимодействие рассеиваемого электрона и иона. Для энергии, переданной атому электроном в зависимости от угла рассеивания  , записывается следующая формула:

                          

На рис.2 представлены скорости электрона  до и после взаимодействия, и -скорость атома.

                                                                                     Рис.2

Согласно формуле Резерфорда кулоновское сечение для атома водорода имеет вид:

          

После интегрирования выражения от энергии ионизации I до энергии налетающего электрона  получается следующее выражение:

          

Для сечения ионизации атома водорода электронным ударом формула Томсона имеет вид:

                     

  Впоследствии был получен универсальный вид формулы Томсона при учете безразмерной функции  f(x) для атома, имеющего  n  валентных электронов:

                         

                 

На рис.3 представлена данная функция  f(x)  и экспериментальные точки для атомов водорода и гелия. Формула Томсона, несмотря на сделанные допущения (о валентном электроне), дает достаточно хорошие данные для сечения ионизации ряда атомов. При квантово-механическом выводе данного сечения ионизации формула была скорректирована формула путем введения логарифмической зависимости от E в числителе: .       

                                           Рис.3     

                                                                                                        

      Рассмотрим в качестве примера зависимости для сечений ионизации атомов и молекул электронным ударом для некоторых газов (рис.4). Характерной формой зависимости является наличие порога для величины Eпор, максимума для сечения в диапазоне  i=(0,5-4)10-16 см2 и последующего спада при увеличении энергии в диапазоне  Е>200 эВ.

                                     

                                      Рис.4

                                                                                                  

       Представим наиболее важные результаты для термической ионизации и фотоионизации. Данные процессы играют важную роль для низкотемпературной плазмы, в особенности для дугового, искрового и скользящего разрядов. При термической ионизации рассматривается суммарный вклад электронов и атомов в возбуждение и в ионизацию атомов. Для вывода формул используется формула Саха, использующая представления о термодинамическом равновесии в плазме. Основными случаями являются (рис.5) ступенчатая (а) и прямая (б) ионизации.

                                            Рис.5

                                                               а)                                     б)

                                                                            

Для ступенчатой ионизации водорода коэффициент ионизации имеет вид:

                                  ,       ga=2,      C=3 6                                                 

Прямая  ионизация водорода описывается следующей формулой:

                                  –сечение ионизации электронами

В данной формуле предполагается, что наибольший вклад в ионизацию атомов вносят электроны.

                    

При низкой температуре Te ступенчатая ионизация преобладает над прямой ионизацией, т.е.:   .

          Фотоионизация является сугубо пороговым процессом возможным, когда энергия фотона превышает энергию ионизации атома (E>I). Процесс фотоионизации описывается формулой:

                     + А = А+ + e-

Для атома водорода при энергии фотона более энергии ионизации () выражение для сечения фотоионизации имеет вид:

                                  -боровский радиус водорода

В случае сильновозбужденного состояния атома водорода справедлива формула Крамерса:

                                n – главное квантовое число

Значения сечений фотоионизации для ряда атомов находятся в диапазоне ф=(0,1-8)10-18 см2. Значение  ф максимально у порога и затем спадает при увеличении частоты фотона.                                                   


d

j

x

1

+Ze

+ze

0,08

0,12

0,04

0,16

0,20

1

5

10

20

30

50

f(E/I)

x=E/I

 He

 H

E, эВ

i10-16

см2

Ar

N2

H2

Ne

He

0

50

100

150

200

1

2

3

4

непрерывный спектр

непрерывный спектр


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

10291. Готфрид Вильгельм Лейбниц - немецкий философ-рационалист 11.55 KB
  Готфрид Вильгельм Лейбниц немецкий философрационалист. Одновременно с Ньютоном разработал основы дифференциального и интегрального исчисления предвосхитил некоторые идеи математической логики выдвинул идею машинизации мыслительного процесса. Он выдвинул учение...
10292. Джон Локк - английский философ-просветитель 15.24 KB
  Джон Локк английский философ-просветитель самый видный представитель эмпиризма. По его мнению на основе ощущений человек формирует свои знания и благодаря этому мыслит. Локк выдвинул теорию чистой доски. Согласно этой теории человек изначально представляет собой чи...
10293. Материализм философское мировоззрение 41.99 KB
  Материализм вещественный философское мировоззрение в соответствии с которым материя объективная реальность является онтологически первичным началом причиной условием ограничением а идеальное понятия воля дух и тому подобное вторичным результатом сле
10294. Онтология - раздел философии, изучающий бытие 14.07 KB
  Онтология раздел философии изучающий бытие. Основной вопрос онтологии: что существует Основные понятия онтологии: бытие структура свойства формы бытия пространство время движение. Онтология таким образом представляет собой попытку наиболее общего описания уни
10295. Полемика реалистов и номенолистов 12.4 KB
  Многие характерные особенности средневековой философии проявились в происходившей на протяжении нескольких веков борьбе реализма и номинализма. Реализм в его средневековом понимании не имеет ничего общего с современным значением этого термина. Под реализмом подразуме...
10296. Проблема истины 49.38 KB
  Проблема истины. Истина отражение объекта познающим субъектом воспроизведение его таким каким он предположительно существует сам по себе как бы вне и независимо от познающего субъекта и его сознания. Истиной может называться само знание содержание знания или...
10297. Проблема познаваемости мира 41.73 KB
  Проблема познаваемости мира. Проблема познаваемости мира является одной из важнейших в философии. Она стояла как центральная в Древней Греции в средние века и Новое время особенно остро встала эта проблема в нашем столетии. На всем протяжении развития философи
10298. Философия пространства и времени 46.15 KB
  Философия пространства и времени это раздел философии изучающий вопросы онтологии эпистемологии и сущности пространства и времени. Основные темы включают в частности следующие: существуют ли пространство и время независимо от сознания существуют ли они незави
10299. Рене Декарт - французский философ, математик, физик, физиолог 12.04 KB
  Рене Декарт французский философ математик физик физиолог. Родоначальник рационализма рационалистической методологии в теории познания. Средством познания сделал метод универсального сомнения. Философия Декарта была дуалистической. Он признавал наличие в мире двух...