Помощничек
Главная | Обратная связь


Археология
Архитектура
Астрономия
Аудит
Биология
Ботаника
Бухгалтерский учёт
Войное дело
Генетика
География
Геология
Дизайн
Искусство
История
Кино
Кулинария
Культура
Литература
Математика
Медицина
Металлургия
Мифология
Музыка
Психология
Религия
Спорт
Строительство
Техника
Транспорт
Туризм
Усадьба
Физика
Фотография
Химия
Экология
Электричество
Электроника
Энергетика

Просторовий та часовий фактори існування плазми. Взаємодія електронів та іонів з нейтральними частинками. Лушкін О. Є



Плазма – квазінейтральний іонізований газ, що містить заряджені частинки обох знаків, а також нейтральні частинки. Умова квазінейтральності означає: по-перше, малість сумарного заряду плазми у порівнянні із сумою зарядів одного знаку; по-друге, вважається що плазма в середньому нейтральна в достатньо великих об’ємах (визначення за Ленгмюром).

Нехай на відстані δ можливе просторове розділення зарядів (за рахунок теплового руху).

Рівняння Пуассона : , . Звідси: - дебаївський радіус екранування. Квазінейтральність плазми може порушуватися в межах дебаївського радіусу. Просторовий критерій існування плазми: .

Запишемо рівняння руху: , з розглянутого вище: , підставимо це значення у рівняння руху.

- рівняння гармонічного осцилятора. - ленгмюрівська частота. Період цих коливань . Якщо ∆t – час спостереження за плазмою і ∆t ≈ Т, то про плазму не може бути й мови. При ∆t >> Т можна казати, що плазма існує.

Елементарні процеси: пружні та непружні зіткнення заряджених частинок з газом.

При пружній взаємодії частинок відбувається тільки обмін імпульсом та кінетичною енергією. При цьому внутрішня енергія частинок та їх стан не змінюється. При непружному ударі внутрішня енергія та стан одної чи двох частинок змінюються.

Серед непружніх процесів треба розрізняти удари першого та другого роду. Якщо в процесі непружного удару внутрішня енергія частинок, що взаємодіють, зростає за рахунок їх кінетичної енергії, то говорять про непружний удар першого роду.

Якщо в процесі зіткнення частина внутрішньої енергії переходить в енергію поступального руху або в теплову енергію, то це – непружний удар другого роду.

Результати зіткнень електронів з атомами газу можуть бути різними в залежності від енергії електрона та конкретних умов зіткнень.

При взаємодії повільного електрона з атомом газу має місце пружній співудар. Він характеризується тим, що сума кінетичних енергій частинок до і після співудару рівні. При цьому обмін кінетичними енергіями між електроном та атомом дуже малий через велику різницю їх мас. Вважаючи, що у атомів та у електронів розподіл швидкостей за Максвеллом і вважаючи, що температура Т газу звичайно набагато менша за температуру електронного газу Те, можна показати, що частка енергії електрона, що передається атому (в середньому) дорівнює 2,66

При достатньо великій енергії електрони можуть збуджувати чи іонізувати атоми. На процес збудження атома електрон повинен втратити енергію збудження. До цього слід додати, що коли енергія електрону менша за , його зіткнення з атомом може бути і непружним: повільний електрон попадає у сферу впливу атому і не може від нього відірватися. З’являється негативний іон.

і т. п.

де - перший та другий потенціали збудження атома.

, де Е1 – енергія електрона до взаємодії, Е2 – енергія електрона після взаємодії.

На іонізацію атома повинна бути втрачена енергія . , де Е1 – енергія електрона до взаємодії, Е2 – енергія електрона після взаємодії.

Іонізація може бути і ступенева : 1)

2)

На першому етапі електрон збуджує атом. На другому етапі (чи після декількох етапів збудження) електрон поступово підіймається на все більш високий енергетичний рівень, а потім вже відбувається іонізація. Цей процес іонізації може бути дуже ефективним, бо :

1) для збудження та подільшій іонізації потребується менша енергія електронів, аніж при прямій іонізації з основного стану (енергія електрона мала, значить час його взаємодії з атомом помітний, тобто ймовірність процесу передачі енергії висока)

2) переріз іонізації збудженого атому набагато більший за переріз іонізації з основного стану

Процеси збудження та іонізації називаються непружними ударами І роду, бо тут частина кінетичної енергії електрона переходить у внутрішню енергію атома.

Іонізація атомів має бути і при їх зіткненні з позитивними іонами.Однак, іонізуюча здатність іонів по відношенню до атомів чи молекул газу в звичайних умовах газових розрядів мало помітна. Це пов’язано з тим що, по-перше, іон навіть при центральному не пружному ударі може передати атому не більше половини своєї енергії, тоді як електрон при не пружному ударі може передати майже усю свою енергію. По-друге, результат взаємодії залежить не тільки від енергії налітаючої частинки, але і від часу взаємодії. А цей час залежить від швидкості частинок. Тобто енергія може бути однакова, а з-за різниці мас частинок їх швидкості будуть суттєво відрізнятися ( ) При взаємодії іона з атомом час взаємодії досить помітний та їх швидкості малі. Тому на іон та атом діє поле, що повільно змінюється. В зв’язку з цим велика ймовірність того, що коли частинки будуть розлітатися, їх електронні системи повернуться в початковий стан, і потенціальна енергія атома, яку він отримав додатково від іона, знову перейде у кінетичну енергію системи. Тобто удар буде пружним.

Ударна іонізація може бути і при зіткненні швидких атомів. Цей процес називається термічною дисоціацією і відбувається лише у високотемпературному дуговому розряді високого тиску. При розрядах низького та середнього тиску температура газу така мала, що середня енергія атомів складає усього десяті долі еВ. Тому термічна дисоціація майже відсутня.

Іонізація газу може бути і під впливом падаючого на нього світла. Для цього енергія квантів повинна бути такою: hν ≥ eVi. Для газів, зрозуміло, іонізацію може зробити тільки ультрафіолет. Однак може бути і ступенева іонізація (фотоіонізація), тобто співвідношення hν = eVзбудження. Тут процес такий: квант світла збуджує атом. Потім непружній удар I роду з якою-небудь частинкою завершує процес іонізації.

Процеси ступеневої фотоіонізації важливі ще й тому, що роблять можливим іонізацію газу власним випромінюванням розряду.

Якщо електрони розряду мають великі енергії, то вони можуть не тільки іонізувати атоми, але і одночасно збуджувати іони, що виникли. Потенціал збудження іона вище за потенціал збудження атома і вище навіть потенціалу іонізації атома. Тому випромінювання збуджених іонів може викликати і пряму іонізацію. Наприклад, в іскровому розряді фотоіонізація власним випромінюванням дуже помітна.

Важливим процесом в іонізованому газі є електронно-іонна рекомбінація. Це воз`єднання електрона та іона у нейтральний атом. Можливі два механізми цього процесу:

а) безпосередня рекомбінація вільного електрону та іону з виділенням енергії у вигляді кванта світла;

б) рекомбінація в потрійному ударі: після безпосередньої рекомбінації, енергія, що виділилася, передається третій частинці, яка знаходиться поблизу взаємодіючих частинок. При цьому кінетична енергія третьої частинки зростає.

Процес збудження:

Процес прилипання:

Ударно-випромінювальна рекомбінація:

Йон-йонна рекомбінація:

Іонізація за участю важких частинок:

Йонна-конверсія:

Процес Хорнбека-Молнера:

Асоціативна іонізація:

Процес перезарядки:

 

 




Поиск по сайту:

©2015-2020 studopedya.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.