Aldebaran bulletin

Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie.
Vydavatel: AGA & Štefánikova hvězdárna v Praze
Číslo 47 (vyšlo 21. prosince, ročník 10 (2012)
© Copyright Aldebaran Group for Astrophysics
Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno.
ISSN: 1214-1674,
Email: bulletin@aldebaran.cz

Hledej

Nízkoteplotní plazma V – srážky v plazmatu

Josef Khun, Vladimír Scholtz

Mezi základní elementární procesy v plazmatu patří srážky mezi částicemi. Budeme zde diskutovat různé možnosti srážek a následky z nich vyplývající. Výchozím stavem bude slabě ionizované plazma obsahující neutrální částice (atomyAtom – základní strukturní jednotka hmoty, jádro je složeno z neutronů a protonů, obaly z elektronů. Rozměry atomu jsou 10−10 m, rozměry jádra 10−14 m, hustota atomu je 1011 g·cm−3, hustota jádra 1014 g·cm−3. Elektrony nejsou v atomárnáím obalu lokalizovány, můžeme určit jen pravděpodobnosti jejich výskytu v tzv. orbitalech. i molekuly), volné elektronyElektron – první objevená elementární částice. Je stabilní. Hmotnost má 9,1×10−31 kg a elektrický náboj 1,6×10−19 C. Elektron objevil sir Joseph John Thomson v roce 1897. Existenci antičástice k elektronu (pozitron) teoreticky předpověděl Paul Dirac v roce 1928 a objevil Carl Anderson v roce 1932., ionty a fotonyFoton – základní kvantum energie elektromagnetického záření, polní částice elektromagnetické interakce. Má nulovou klidovou hmotnost a nemá elektrický náboj. Jeho energie a hybnost jsou přímo úměrné frekvenci záření (E = ħω, p = E/c). Stav fotonu zahrnuje také polarizaci, protože jde o příčné vlnění..

Plazma – kvazineutrální soubor nabitých a neutrálních částic, který vykazuje kolektivní chování. Lidsky to znamená, že se v dané látce nachází alespoň malé množství elektricky nabitých částic, které jsou v celém objemu elektricky neutrální a jsou schopny reagovat na elektrická a magnetická pole jako celek. Plazma vzniká odtržením elektronů z elektrického obalu atomárního plynu nebo ionizací molekul. S plazmatem se můžeme setkat v elektrických výbojích (blesky, jiskry, zářivky), v polárních zářích, ve hvězdách, ve slunečním větru a v mlhovinách. Přes 99 % atomární látky ve vesmíru je v plazmatickém skupenství.

Střední volná dráha – průměrná vzdálenost mezi srážkami. V plazmatu, kde dochází jen k odklonu nabité částice z původního směru vlivem elektrických sil, chápeme střední volnou dráhu jako takovou vzdálenost, na které se částice v průměru odchýlí od původního směru o 90°.

Obecně lze srážky rozdělit na pružné a nepružné. V případě pružných srážek se, na rozdíl od srážek nepružných, zachovává jak celková hybnost částic, tak i celková kinetická energie srážející se dvojice. Mění se pouze geometrické uspořádání a přerozděluje se kinetická energie, tj. mění se směr a velikost rychlostí částic, ale jejich vnitřní struktura a vnitřní energie zůstává stejná. Tyto srážky jsou předmětem kinetické teorie plynů a makroskopicky se projevují například jako tlak plynu, chaotická složka rychlosti částic se makroskopicky projevuje jako teplota plynu.

V případě srážek nepružných se zachovává pouze hybnost a kinetická energie se může přeměňovat, nebo naopak se na kinetickou energii můžou přeměňovat jiné formy energií.

Obecně je možno říct, že v případě srážky dvou pomalých částic (s nízkou kinetickou energií) bude tato srážka pružná. V případě, že se zvětší kinetická energie srážejících se částic nad určitou hodnotu, může při srážkách docházet ke srážkám nepružným, kdy dochází ke změně vnitřní struktury a vnitřní energie částic. Z hlediska procesů, generace částic v plazmatu a  odlišnosti plazmatu od neutrálního plynu, jsou zajímavé právě tyto nepružné srážky. V této části si popíšeme kombinace vzájemných srážek elektronůElektron – první objevená elementární částice. Je stabilní. Hmotnost má 9,1×10−31 kg a elektrický náboj 1,6×10−19 C. Elektron objevil sir Joseph John Thomson v roce 1897. Existenci antičástice k elektronu (pozitron) teoreticky předpověděl Paul Dirac v roce 1928 a objevil Carl Anderson v roce 1932. nebo fotonůFoton – základní kvantum energie elektromagnetického záření, polní částice elektromagnetické interakce. Má nulovou klidovou hmotnost a nemá elektrický náboj. Jeho energie a hybnost jsou přímo úměrné frekvenci záření (E = ħω, p = E/c). Stav fotonu zahrnuje také polarizaci, protože jde o příčné vlnění. s neutrálními částicemi. Další srážky popíšeme v některém z dalších dílů tohoto seriálu.

Srážka elektronu s neutrální částicí

Při nepružné srážce elektronu s neutrální částicí může nastat některý z následujících procesů:

Excitace (nabuzení)

Elektron vázaný v atomu nebo molekule se nachází na určité energetické hladině. Pro excitaci, tj. přechod elektronu z energetické hladiny En do vyšší (vzdálenější od jádra) energetické hladiny Em, je nutné dodat práci rovnou rozdílu obou energií. Tuto práci může vykonat narážející elektron na úkor své kinetické energie, pokud je tato větší než požadovaný rozdíl energií. Změnu kinetické energie elektronu Ekin při srážce je možno vyjádřit jako:

ΔEkin = EmEn.

Obecnou rovnici pro excitaci částice X elektronem e lze napsat jako:

X + e → X* + e ,

kde X označuje částici v základním stavu a X* tutéž částici ve stavu excitovaném. Jelikož excitovaný stav není stabilním stavem částice, elektron zde setrvává pouze krátkou dobu (řádově 10−8 s). Při návratu elektronu z vyšší energetické hladiny do nižší hladiny je rozdíl těchto energií vyzářen do okolí ve formě fotonu s energií

Ef = = EmEn,

kde h je Planckova konstanta a ν je frekvence vyzářeného fotonu (záření). Po přepočtení na vlnovou délku λc/ν, kde c je rychlost světla ve vakuu, je možné vlnovou délku vyjádřit jako λ = hc/(Em − En). Tento proces je důležitý pro vyzařování nízkoteplotního plazmatu na diskrétních vlnových délkách, viz. [1]. Obecnou rovnici pro deexcitaci částice pak lze napsat jako:

X* → X + ,

kde člen vyjadřuje energii vyzářeného fotonu.

Ionizace

Je-li kinetická energie elektronu, který naráží do neutrální atomu, dostatečně velká, může být elektron z elektronového obalu atomu vytržen, čímž vznikne další pár elektron – iont. Tento proces je důležitý z hlediska rozvoje a udržení výboje, viz [2]. Například k nabuzení vodíkovéhoVodík – Hydrogenium, je nejlehčí a nejjednodušší plynný chemický prvek, tvořící převážnou část hmoty ve vesmíru. Má široké praktické využití jako zdroj energie, redukční činidlo při chemické syntéze a v metalurgii nebo jako náplň balonů a vzducholodí. Vodík objevil roku 1766 Henry Cavendish. atomu dostačuje srážka s elektronem (nebo obecně částicí) s energií od 1 eVElektronvolt – jednotka energie. Jde o energii, kterou získá elektron urychlením v potenciálovém rozdílu jeden volt, 1 eV = 1,6×10−19 J. V jaderné fyzice se používají spíše větší násobky této jednotky, kiloelektronvolt keV (103 eV), megaelektronvolt MeV (106 eV), gigaelektronvolt GeV (109 eV) nebo teraelektronvolt TeV (1012 eV). V těchto jednotkách se také vyjadřuje hmotnost (E=mc2) a teplota (E=kT). Jeden elektronvolt odpovídá teplotě přibližně 11 600 K.. Při energiích nad 13,53 eV dochází již k odtržení elektronu a ionizaci. Obdobný mechanizmus platí i pro ionizaci molekul. Obecná rovnice pro ionizaci neutrální částice X elektronem e− může být zapsána jako:

X + e → X+ + e + e.

Záchyt elektronu

Tento proces může nastat v případě srážky elektronu s tzv. elektronegativní částicí, kdy se elektron na této částici zachytí a vzniká částice záporná – záporný iont, přičemž může i nemusí dojít k jeho excitaci. Příkladem elektronegativní částice může být molekula kyslíkuKyslík – Oxygenium, plynný chemický prvek, tvoří druhou hlavní složku zemské atmosféry. Je biogenním prvkem a jeho přítomnost je nezbytná pro existenci většiny živých organizmů na naší planetě. V atmosféře tvoří plynný kyslík 21 objemových %. Kromě obvyklých dvouatomových molekul O2 se kyslík vyskytuje i ve formě tříatomové molekuly jako ozon O3. Produkty hoření se nazývají oxidy, dříve kysličníky. Kyslík je třetím nejhojnějším prvkem ve vesmíru. O2. V tomto případě vzniká záporný molekulární iont O2. Při záchytu elektronu k neutrální částici dochází k uvolnění energie nazývané též elektronová afinita. Elektronová afinita bývá obvykle mnohem menší, než ionizační energie neutrálního atomu. Například ionizační energie pro neutrální molekulu O2 je 12,2 eV, zatímco elektronová afinita pro záchyt elektronu na neutrální molekulu O2 je pouze 0,44 eV. Z tohoto důvodu může být destrukce záporných iontů příležitostně způsobena i tepelnými srážkami s ostatními těžkými částicemi. Obecnou rovnici pro proces záchytu elektronu k neutrální částici lze napsat jako:

X + e → X.

Disociace molekuly

Při srážce elektronu s molekulou může, v případě dostatečné energie elektronu, dojít ještě k disociaci molekuly. Disociace je štěpení molekuly na menší molekuly a atomy, atomové a molekulové ionty nebo radikály, které mohou být v základním nebo excitovaném stavu. Existuje více typů disociace molekul. Disociace molekuly AB při srážce s elektronem může mít například následující průběhy:

AB + e → A + B + e,
AB + e → A* + B + e,
AB + e → A+ + B + e + e.

Přehled procesů při srážce elektronu s neutrální částicí

Obr. 1: Přehled procesů při srážce elektronu s neutrální částicí.

Srážka fotonu s neutrální částicí

Při srážce fotonu s neutrální částicí může být foton absorbován a jeho energie přeměněna ve vnitřní energii částice. V závislosti na energii dopadajícího fotonu se můžou uskutečnit podobné děje jako v případě nárazu elektronu:

Excitace

Po nárazu a absorpci fotonu se zvýší energie vázaného elektronu, který se přesune na vyšší energetickou hladinu. Tento proces se nazývá fotoexcitace a obecnou rovnici pro excitaci částice X fotonem o energii lze napsat jako:

X + → X*.

Platí zde důležitá podmínka, že při přechodu elektronu na vyšší energetickou hladinu se musí vyčerpat energie fotonu beze zbytku, z toho plyne podmínka, že excitovat elektron (a tedy atom) může jenom ten foton, jehož energie je rovna požadovanému rozdílu energií energetických pásem. Tato skutečnost se využívá například v absorpční spektroskopii.

Ionizace

V případě, že je energie fotonu alespoň rovna energii ionizační, dochází k odtržení elektronu. Jako v případě excitace je energie fotonu přeměněna na práci, v tomto případě potřebnou k ionizaci, a zbytek na kinetickou energii uvolněného elektronu. Tento proces se nazývá fotoionizace a obecná rovnice má tvar:

X + → X+ + e.

Disociace molekuly

V případě srážky fotonu s neutrální molekulou může navíc, při dostatečné energii fotonu, dojít též k disociaci molekuly (fotodisociaci), při níž mohou vznikat menší molekuly a atomy, atomové a molekulové ionty nebo radikály, které můžou být v základním nebo excitovaném stavu. Příklady rovnic popisujících některé případy fotodisociace molekuly AB jsou následující:

AB + → A + B,
AB + → A* + B,
AB + → A+ + B + e.

Přehled procesů při srážce fotonu s neutrální částicí

Obr. 2: Přehled procesů při srážce fotonu s neutrální částicí.

V některých případech nemusí foton při srážce s částicí odevzdat celou svoji energii, ale pouze její část. Tento proces se nazývá Comptonův jev a v plazmatu může nastat při srážce fotonu s volným elektronem nebo s elektronem, jehož vazební energie je mnohem menší než energie fotonu a tudíž se chová jako téměř volný. Jedná se v principu o pružnou srážku, kdy foton odevzdá část své energie elektronu a dochází k tzv. rozptylu fotonu, tj. změně jeho energie a směru pohybu. Tato změna vyplývá ze zákona zachování energie a hybnosti. Změna vlnové délky Δλ = λ′ − λ v závislosti na úhlu rozptylu ϑ (viz Obr. 3) je dána Comptonovým vztahem:

Δλ = λ′ − λ = (h/mec)(1 − cos ϑ),

kde λ je vlnová délka fotonu před srážkou a λ′ je vlnová délka rozptýleného fotonu po srážce s elektronem, c je rychlost světla ve vakuu a me je hmotnost elektronu. Konstanta h/mec (Comptonova vlnová délka) je přibližně rovna 0,002 nm a změna vlnové délky je experimentálně pozorovatelná pouze při záření o srovnatelných vlnových délkách (rentgenových). K největší změně vlnové délky fotonu, a tím i k největšímu poklesu jeho energie, dochází pro případ, když je úhel ϑ = 180°.

Comptonův jev

Obr. 3: (a) Foton o vlnové délce λ dopadající na elektron; (b) foton rozptýlený pod úhlem ϑ
se změněnou vlnovou délkou λ′ a elektron pohybující se pod úhlem φ.

Animace týdne: Emise fotonu v plazmatu

Světlo je tvořeno z balíčků elektromagnetické energie,které nazýváme fotony. Fotony vznikají, pokud jsou elektrony (žluté) urychleny při blízkých srážkách s ionty (modré). Nabitá částice totiž vždy září, pokud se mění její směr rychlosti. S rostoucí teplotou produkce fotonů roste. Zdroj: NASA/Chandra (mp4, 7 MB)

Článok vznikol s podporou grantu ČVUT SGS10/266/OHK3/3T/13

Odkazy

Valid HTML 5 Valid CSS!

Aldebaran Homepage