Электронно-ионная плазма

Размещено на http://www.allbest.ru/

Электронно-ионная плазма

Введение

Определение понятия плазмы. Квазинейтральность. Пространственный и временной масштабы разделения зарядов. Плазменная частота.

Дебаевский радиус экранирования. Взаимодействие заряженных частиц и излучения с атомами газа и между собой.

1. Понятие плазмы. Основные определения и соотношения

Плазма - газ, атомы которого ионизированы, т.е., потеряли один или несколько электронов (полностью или частично и занимают объем с размерами значительно больше дебаевского радиуса Rd).

Cостав: ионы, электроны, нейтральные частицы.

Очень широко распространена (источники света - газоразрядные лампы, газоразрядные приборы электроники, ионосфера планет, звезды, межзвездный газ).

Развити физики плазмы диктуется чисто практическими целями: новые источники энергии (управляемый термоядерный синтез), преобразователи непосредственно тепловой энергии в электрическую (МГД - генераторы), и т.д. Используется все шире в ускорительной технике, электронике интенсивных пучков, промышленных технологиях обработки материалов (плазменные технологии) и т.д.

Плазма обычно квазинейтральна (т.е. в некотором приближении). Если возникает неравенство зарядов, возникает поляризация плазмы, следовательно, возникает электрическое поле. Они стремятся восстановить равновесие системы. И если в малых масштабах возможны неравномерности плотности зарядов, то в больших масштабах нарушения равномерностей не наблюдается, следовательно, плазма в целом нейтральна. Аналогично, в течении малых промежутков времени возможно разделение зарядов - поляризация плазмы, но масштаб этой поляризации обратно пропорционален времени существования.

Каков же временный масштаб разделения зарядов в плазме (т.е. время жизни неоднородностей)?

Из законов электромагнитного поля известно понятие тока смещения (за счет изменения зарядов):

 (6.1)

j = enVi - enVe , Ve>>Vi j - enVe

Продифференцируя (6.1) по t:

(6.2)

Сила, действ. в эл. поле на электрон

откуда

(6.3)

Подставим (6.3) в (6.2):

Учитывая, что , имеем:

, или (6.4)

Уравнение (6.4) - является известным уравнением грм. колебаний, и его решение; в случае е - диэл. проницаемость в вакууме = 1:

, где

- частота плазменных колебаний (электростатические, колебания Ленгмюра)

; ; ;

Плазма обладает большим спектром колебаний, электростатические - наиболее простые. Если рассм. время t >> 1/щ0 - то колебания усредняются и можно считать плазму нейтральной, при t ? 1/ щ0 - наоборот.

Таким образом, щ0 характеризует временный масштаб разделения зарядов.

Определим теперь величину поля, возникающего при смещении одного знака (e-) на 1см относительно зарядов другого знака в плазме с n=1020 1/м³;

;

в одномерном случае (смещение по оси x):

;

т.е. порядок полей - 1010 В/м.

Учитывая, что скорость e- значительно превышает Vi считаем, что неоднородности в плазме возникают прежде всего за счет хаотического теплового движения электронов, скорость которого Vср ? . Тогда смещение электронов при плазменных колебаниях относительно ионов d ? Vср t, где t ? 1/ щ0 и

- дебаевский радиус экранирования.

Этот параметр определяет пространственный масштаб разделения зарядов в плазме. Размером d характеризуется также и глубина проникновения внешнего поля и расстояние на котором действие заряда на другие частицы компенсируется (экранирование поля заряда).

Поляризация плазмы возможна на расстоянии x ? d. Если размеры >> d - можно считать плазму нейтральной.

Потенциал единичного заряда в плазме -

Напряжение внешнего поля -

2. Взаимодействие частиц плазмы между собой. Спектры излучения

Одним из способов получения плазмы является газовый разряд, в ходе которого в объеме, заполненном газом происходит процесс взаимодействия заряженных частиц и фотонов (инжектированных в объем или же образовавшихся в результате внешнего воздействия) с атомами или молекулами (нейтральными частицами), а также другими заряженными частицами.

Различают упругие и неупругие соударения.

Упругие соударения характеризуются сохранением суммы кинетических энергий частиц (до и после соударения).

Неупругие отличаются тем, что часть кинетической энергии переходит в другие виды энергии (возбуждения, ионизация) (соударения первого рода) или же наоборот часть потенциальной энергии частиц переходит в кинетическую (соударения второго рода)

Основные виды элементарных процессов в разряде (неупругие соударения):

e + A > e + Aґ или e + A > e + Am - возбуждение электронным ударом;

e + A > e + A+ + e - ионизация эл. ударом;

e + Am > e + A+ + e - ионизация метастабильным электронным ударом;

e + A > A + hн -радиационный захват;

e + AB > A + B - диссоциативный захват;

e + AB > вe + A+ + B - диссоциация на ионы эл. ударом;

e + A+ > Aґ + hн - рекомбинация с излучением;

e + AB+ > Aґ+ Bґ -диссоциативная рекомбинация;

e + A+ + A > A + A -рекомбинация в тройном ударе;

A++ B > A + B -ион-ионная рекомбинация;

Am + B> A + B+ + e -ионизация Пеннинга;

A + hн > Aґ -фотовозбуждение;

A + hн > A+ + e - фотоионизация.

где: e - электрон;

А - атом, Aґ - возб. атом; A+ - ионизир. атом;

Am - атом, возбужденный в метастабильном состоянии;

АB - двухатомная молекула

hн - фотон с частотой н.

Минимальная энергия, затрачиваемая электроном для перевода атома А в возбужденное состояние Aґ характеризуется потенциалом возбуждения Uв

плазма заряд излучение газ

Wв = e Uв

Возбужденный атом - атом, в котором электрон внешней оболочки переходит на первый незаполненный энергетический уровень. Это состояние весьма кратковременно ? 10-8 … 10-10 с. Электроны самопроизвольно возвращаються на прежний уровень, при этом излучается фотон.

hн = e(U2-U1)=e(Uв-U0).

Такое излучение называеться резонансным, т.е. фотон hн может поглощаться другими атомами неоднократно (с переводом их в возбужденное состояние) и снова излучаться, "путешествуя" по объему газа до поглощения спектрами.

Некоторые газы (инертные, пары ртути) имеют так же уровни возбуждения, с которых электроны не могут самостоятельно перейти на другие (такие же) уровни. Такой переход возможен только при добавочных столкновениях, приводящих либо к увеличению энергии e- и переходу его на более высокий уровень, либо к отдаче избыточной энергии и возврату атома в невозбужденное состояние. Эти уровни называються метастабильными, атомы с электронами, находящимися на метастабильных уровнях возбуждения - метастабилями.

Для превращения A в A+ необходимо Wi = eUi:

Характерные потенциалы возбуждения и ионизации, В, приведены в таблице 6.1

Таблица 6.1. - Потенциалы возбуждения и ионизации некоторых газов

Очевидно, что частицы, образующиеся в результате вышеприведенных процессов, так же взаимодействуют с другими частицами газа.

Наряду с процессами ионизации всегда имеет место обратный процесс рекомбинации, т.е. соединении иона со свободным электроном. Этот процесс сопровождается рекомбинационным излучением фотоном. Для него характерен сплошной спектр излучения (в отличии от линейного спектра излучения возбужденных атомов). Причина заключается в том, что энергия электрона, участвующего в процессе рекомбинации, может быть любой.

Один из существующих факторов ионизации - возбуждение и ионизация электронным ударом. Учитывая закон сохранения энергии и импульса можно показать, что при электронном ударе (me << Ma) электрон может всю кинетическую энергию израсходовать на изменение внутреннего энергетического состояния атома. Это позволяет по известной Wе - определить энергию возбуждения и ионизации атомов газа.

Явление захвата e- нейтральным атомом с образованием отрицательного иона имеет место в газах с почти заполненной электронной оболочкой. При этом образовавшийся ион оказывается энергетически устойчивее исх. атома. Выделившаяся при этом захвате энергия называется электронным сродством. Если эл. сродство > 0 > излучается hн - это называется радиационный захват.

Рассеяние заряж. частицы на другой заряженной частице (упругие соударения).

Формула Резерфорда:

 = ;

- вероятность отклонения частицы на угол ,

;

- угол отклонения.

! Наиболее вероятны отклонения на малые углы

! Длина свободного пробега для плазмы теряет смысл:

Вводят лсв как отрезок на котором частица полностью потеряет первоначальное значение (и направление) скорости.

лсв ,

где z1, z2 - заряды атомов;

n - концентрация;

Т - температура.

л =

где у - эффективное сечение рассеяния одной частицы на другой (для z1=1 - электрон z2= zi - ион)

=

Размещено на Allbest.ru