1 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.

2 В плазмохимии используется 1.Слабоионизованная плазма α < Низкотемпературная плазма Т < К 3. Идеальная плазма 4. Классическая плазма

3 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.

4 Элементарные процессы в плазме. (возбуждение) (релаксация)

5 1. Упругое рассеяние электронов meme M

6 1. Поляризационное взаимодействие 2. Обменное взаимодействие m M

7 где m α, m β массы, a v α, v β векторы скорости частиц. Закон сохранения импульса приводит к равенству импульсов системы до и после столкновения: 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: Закон сохранения энергии позволяет определить изменение в процессе столкновения суммарной кинетической энергии системы: meme M

8 Упругое рассеяние электронов на нейтральных атомах meme M частицамасса электрон кг протон кг

9 Элементарные процессы в плазме. (возбуждение) (релаксация)

10 2. Неупругие столкновения первого рода. 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 EeEe

11 Молекула или атомЭнергия ионизации в эВ ХеХе 12,1 O2O2 О13,6 Н2OН2O H CO 2 13,8 Н2Н2 15,44 N2N2 15,6 NeNe 21,6 He24,6 Ионизация

12 Закон действия масс: Скорость элементарной химической реакции в каждый момент времени пропорциональна концентрациям реагентов. v = k·C A ·C B k - константа скорости реакции Скорость образования заряженных частиц в результате процесса ионизации в плазме определяется полным (эффективным) сечением процесса.

13 Ионизация паров ртути s i = 5· см 2 E = 2 эВ v = 8·10 7 см/cек

14 Зависимость сечения ионизации атомов от энергии налетающего электрона. Расчет процесса ионизации ведут с учетом функции распределения энергии электронов, кинетической энергии которых достаточна для ионизации (mv 2 /2 > E i ).

15 Элементарные процессы в плазме Зависимость сечения ионизации H 2 от энергии налетающего электрона: эксперимент (1) и расчет по формуле Томсона (2). 1 2

16 Литература ионизация электронным ударом Изменение числа электронов:

17 Элементарные процессы в плазме Изменение числа электронов: фотоионизация

18 Ступенчатая ионизация происход ит 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: Величину k is определяющую эту скорость, называют константой ступенчатой ионизации.

19 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 EeEe

20 Возбуждение электронной подсистемы W 0 - основной уровень валентного электрона, W мет - метастабильный уровень, W 1, W 2 - уровни возбуждения (первый, второй и т.д.).

21 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 EeEe

22 Внутренняя энергия молекулы (в основном электронном состоянии) 1. Вращение молекулы 2. Колебания атомов в молекуле

23 Вид движенияЭнергозапас, E Энергия активации, Поступательное движение молекулы 3/2 kT0 Вращение молекулы 3/2 kT, кроме двухатомных молекул, для которых E r = кТ, < 0.01 эВ Колебания атомов в молекуле кТ · n эВ Энергозапас различных форм движения молекул в основном электронном состоянии kT mv e kT m vvF 2 2/ )( Распределение Максвелла

24 Зависимость теплоемкости метана от температуры: 1- экспериментальные значения, 2 – суммарная теплоемкость поступательных и вращательных степеней свободы молекулы метана.

25 Распределение энергии электрона при возбуждении молекулы H 2 O: 1 - упругие потери (на поступательное движение), 2 - возбуждение колебательных движений, 3 -возбуждение электронной подсистемы, 4 – диссоциативное прилипание, 5 - ионизация. колебания нагрев

26 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 для металлов и для диэлектриков. Взаимодействие заряженных частиц с поверхностью твердых тел. 2. Падение ионов на твердую поверхность сопровождается: упругим и неупругим отражением, поглощением, ион-электронной эмиссией рекомбинация иона - отражение с приобретением недостающего электрона.