ЛЕКЦИЯ 4. Элементарные процессы в плазме.

ЛЕКЦИЯ 4. Элементарные процессы в плазме.
Скорость протекания элементарных процессов.
Сечение столкновений.
Упругое взаимодействие электронов с атомами. Эффект Рамзауэра.
Неупругие элементарные процессы первого рода.
Возбуждение при соударении электронов с нейтральными частицами.
Селективное колебательное возбуждение.
Прямая и ступенчатая ионизация в плазме.
Взаимодействие заряженных частиц с поверхностью твердых тел.
1
В плазмохимии используется
1. Слабоионизованная плазма
α < 0.01
2. Низкотемпературная плазма
Т < 10 000 К
3. Идеальная плазма
4. Классическая плазма
2
Элементарные процессы в плазме.
Основные свойства плазмы определяются движением в ней заряженных частиц.
Поведение плазмы при внешнем воздействии (электрическим или магнитным
полем, нагревом и др.) т.е. при нарушении термодинамического равновесия
и детального равновесия, описывается через совокупность элементарных
процессов отдельных частиц в плазме, их взаимодействие или столкновения.
3
Элементарные процессы в плазме.
(возбуждение)
(релаксация)
4
1. Упругое рассеяние электронов
M
me
5
1. Поляризационное взаимодействие
M
m
2. Обменное взаимодействие
6
Рассмотрим столкновение частиц сорта α и β.
Будем считать, что в процессе столкновения воздействие
внешних сил на частицы отсутствует.
В этом случае, как известно, импульс и энергия системы
взаимодействующих частиц остаются неизменными.
Импульс системы представляет сумму импульсов
сталкивающихся частиц:
M
me
p  p  p  m  v  m  v
где mα, mβ — массы, a vα, vβ — векторы скорости частиц.
Закон сохранения импульса приводит к равенству импульсов системы до и после
столкновения:
m  v  m  v  m  v1  m  v1  const
Закон сохранения энергии позволяет определить изменение в процессе столкновения суммарной
кинетической энергии системы:
2
1 2
m  v2 m  v m  (v1 ) 2 m  (v )



 Eв нутр  const
2
2
2
2
7
Упругое рассеяние электронов на нейтральных атомах
E0
M
2mM
E  E0
2
(m  M )
me
частица
масса
электрон
9.1•10-31 кг
H
1.67•10-27 кг
2mM
2m
Ea  Ee
 Ee
 0.05% Ee
2
(m  M )
M
8
Элементарные процессы в плазме.
(возбуждение)
(релаксация)
9
2. Неупругие столкновения первого рода.
Ee
1. Ионизация E > 30 эВ
2. Возбуждение электронной подсистемы 10 эВ < E < 30 эВ
3. Возбуждение колебательных
движений атомов в молекуле
0.1 эВ < E < 10 эВ
4. Возбуждение вращения молекулы 0.01 эВ < E < 0.1 эВ
10
Ионизация
Молекула или атом
Энергия ионизации в эВ
Хе
12,1
O2
12,1
О
13,6
Н2O
13,6
H
13,6
CO2
13,8
Н2
15,44
N2
15,6
Ne
21,6
He
24,6
11
Закон действия масс:
Скорость элементарной химической реакции в каждый
момент времени пропорциональна концентрациям
реагентов.
v = k·CA·CB
k - константа скорости реакции
Скорость образования заряженных частиц в результате процесса ионизации в пла
определяется полным (эффективным) сечением процесса.
dni
 ki  ne  na  si  ve  ne  na
dt
12
Расчет процесса ионизации ведут с учетом функции распределения энергии
электронов, кинетической энергии которых достаточна для ионизации (mv2/2 > Ei)
ki  

 пор
si ( )  f ( )d
Зависимость сечения ионизации атом
от энергии налетающего электрона.
13
Ионизация паров ртути
dni
 ki  ne  na  si  ve  ne  na
dt
см
10 электронов
19 атомов
v  5 10 см  8 10
10
 2.7 10
3
сек
см
см 3
атомов
 1012 3
см  сек
16
2
7
E = 2 эВ v = 8·107 см/cек
si = 5·10-16 см2
2
mv
 qU
2
14
Элементарные процессы в плазме
1
2
Зависимость сечения ионизации H2 от энергии налетающего электрона:
эксперимент (1) и расчет по формуле Томсона (2).
15
ионизация
электронным ударом
Изменение числа электронов:
Литература
dne
 se  ve  ne  na
dt
16
Элементарные процессы в плазме
фотоионизация

Изменение числа электронов:
dne
   na
dt
17
Ступенчатая ионизация
происходит в два этапа:
первый — возбуждение атома,
второй — ионизация атома, находящегося в возбужденном состоянии.
Схема этого процесса:
е + А → А* + е,
е + A* → А+ + е + е.
Здесь А* обозначает возбужденный атом.
Первый этап может включать несколько последовательных
элементарных актов возбуждения с постепенным ростом
внутренней энергии атома.
Эффективность ступенчатой ионизации определяется
сечениями обеих реакций и временем жизни возбужденных атомов:
dni dne
2
2

 kis  ne  na  sis  ve  ne  na
dt
dt
Величину kis определяющую эту скорость, называют константой ступенчатой18иониза
Ee
1. Ионизация E > 30 эВ
2. Возбуждение электронной подсистемы 10 эВ < E < 30 эВ
3. Возбуждение колебательных
движений атомов в молекуле
0.1 эВ < E < 10 эВ
4. Возбуждение вращения молекулы 0.01 эВ < E < 0.1 эВ
19
Возбуждение электронной подсистемы
W0- основной уровень валентного электрона,
Wмет- метастабильный уровень,
W1, W2 - уровни возбуждения (первый, второй и т.д.).
20
Ee
1. Ионизация E > 30 эВ
2. Возбуждение электронной подсистемы 10 эВ < E < 30 эВ
3. Возбуждение колебательных
движений атомов в молекуле
0.1 эВ < E < 10 эВ
4. Возбуждение вращения молекулы 0.01 эВ < E < 0.1 эВ
21
Внутренняя энергия молекулы
(в основном электронном состоянии)
1. Вращение молекулы
2. Колебания атомов в молекуле
22
Энергозапас различных форм движения молекул
в основном электронном состоянии
Вид движения
Поступательное движение
молекулы
Вращение молекулы
Колебания атомов в
молекуле
Энергозапас, E
Энергия
активации,
3/2 kT
0
3/2 kT, кроме двухатомных
молекул, для которых Er =
кТ,
< 0.01 эВ
кТ · n
2
ср
mV
2
0.1-0.2 эВ
3
 kT
2
m0 
2

p

F (v ) 4 v 
 2p  kT 
2
3/ 2
Распределение Максвелла
e
mv

2 kT
23
Q  CV  m  T
Зависимость теплоемкости метана от температуры:
1- экспериментальные значения,
2 – суммарная теплоемкость поступательных и вращательных
степеней свободы молекулы метана.
24
Распределение энергии электрона при возбуждении
молекулы H2O:
колебания
нагрев
1 - упругие потери (на поступательное движение),
2 - возбуждение колебательных движений,
3 -возбуждение электронной подсистемы,
4 – диссоциативное прилипание,
5 - ионизация.
25
Взаимодействие заряженных частиц
с поверхностью твердых тел.
1. Элементарные процессы, сопровождающие падение электронов на стенку.
• при малых энергиях основными являются упругое отражение и поглощение.
• в области больших энергий преобладающим процессом становится
вторичная электронная эмиссия — «выбивание» электронов из стенки
падающими электронами. Эффективность отражения
0.1—0.4 для металлов и 0.5—0.8 для диэлектриков.
2. Падение ионов на твердую поверхность сопровождается:
• упругим и неупругим отражением,
• поглощением,
• ион-электронной эмиссией
• рекомбинация иона - отражение с приобретением недостающего электрона.
26