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 v1 m v1 const Закон сохранения энергии позволяет определить изменение в процессе столкновения суммарной кинетической энергии системы: 2 1 2 m v2 m v m (v1 ) 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