Aldebaran bulletin

Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie.
Vydavatel: AGA & Štefánikova hvězdárna v Praze
Číslo 4 (vyšlo 25. ledna, ročník 11 (2013)
© Copyright Aldebaran Group for Astrophysics
Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno.
ISSN: 1214-1674,
Email: bulletin@aldebaran.cz

Hledej

Nízkoteplotní plazma VI – srážky v plazmatu II

Josef Khun, Vladimír Scholtz

V předešlém dílu (viz AB 47/2012) jsme se zabývali srážkami volných 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.fotonůFoton – polní částice elektromagnetické interakce, kvantum energie elektromagnetického záření. 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 (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. a molekulami) v základním stavu. Z těchto srážek mohly kromě neutrálních částic, volných elektronů a fotonů vystupovat i excitované částice, kladné či záporné ionty (po ionizaci či záchytu elektronu) a po disociaci molekul také menší molekuly a atomy, atomové a molekulové ionty nebo radikály v základním nebo excitovaném stavu. V tomto díle se zaměříme na srážky elektronů a fotonů s částicemi, které se nenacházejí v základním stavu (tj. částice excitované, či ionizované).

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.

Termální plazma – plazma, v němž je vyrovnána teplota všech komponent, tj. eletrony, ionty i vícenásobné ionty mají stejnou teplotu.

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°.

Srážka elektronu s excitovanou částicí

Deexcitace

V případě, že do excitované částice narazí pomalý elektron, může dojít k deexcitaci; energie uvolněná z deexcitované částice se přemění v kinetickou energii narážejícího elektronu a (z důvodu zachování hybnosti) i na kinetickou energii částice. Částice tedy vyjde ze srážky mírně „ohřátá“ a v základním stavu (deexcitovaná). Narážející elektron při srážce zvýšil svoji kinetickou energii. Reakci lze zapsat:

X* + e → X + e.

V tomto případě se jedná o tzv. superelastickou kolizi, tj. celková kinetická energie částic po srážce je větší než celková kinetická energie před srážkou.

Postupná excitace

V případě, že energie narážejícího elektronu je rovna alespoň excitační energii dalšího elektronu v již jednou excitované částici, může dojít k dalšímu zvýšení energie této excitované částice, která přechází do tzv. druhého excitovaného stavu. Reakci lze zapsat:

X* + e → X** + e.

Postupná ionizace

V případě, že energie narážejícího elektronu je rovna alespoň energii potřebné pro ionizaci excitované částice (tj. rozdílu ionizační a excitační energie), může dojít k ionizaci již excitované částice a lze ji zapsat:

X* + e → X+ + e + e.

Postupná ionizace se uplatňuje ve velké míře ve vysokoteplotním plazmatu, kde mohou být částice před druhou srážkou tepelně excitovány srážkou s jinou částicí.

Přehled procesů při srážce elektronu s excitovanou částicí

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

Srážka elektronu s kladným iontem

Rekombinace

Při srážce může být elektron zakomponován do elektronového obalu kladného iontu, kde elektron schází. Dochází k zániku kladného iontu a volného elektronu a vzniku neutrálního nebo excitovaného atomu či molekuly za současného uvolnění přebytečné energie. Podle toho, jak je využita energie uvolněná při rekombinaci, může dojít k následujícím rekombinačním mechanizmům:

Rekombinační energie může být vyzářena ve formě fotonu (zářivá rekombinace) nebo přeměněna a odvedena ve formě energie tepelné. Rekombinace může probíhat přímo:

X+ + e → X (+ ),

nebo postupně, přes excitovaný stav částice:

X+ + e → X* (+ )→ X + .

Obecně lze říci, že zánik elektricky nabitých částic se v nízkoteplotních elektrických výbojích (zdrojích nízkoteplotního plazmatu) odehrává převážně na elektrodách a stěnách výbojové trubice a popsaný mechanizmus rekombinace tedy není z hlediska četnosti podstatný. V termálním plazmatuTermální plazma – plazma, v němž je vyrovnána teplota všech komponent, tj. eletrony, ionty i vícenásobné ionty mají stejnou teplotu. představuje rekombinace, přímo v jeho objemu, jeden ze základních a častých mechanizmů vzájemné interakce částic plazmatu. V tomto typu plazmatu mají srážky elektronů s těžkými nabitými částicemi mnohem větší pravděpodobnost než v plazmatu nízkoteplotním.

V atomárních plynech může nastat tzv. tříčásticová rekombinace atomárního iontu s elektronem za přítomnosti druhého elektronu. Rekombinační proces v tomto případě začíná záchytem elektronu na kladný atomární iont a vytvořením vysoce excitovaného a nestabilního atomu. Tento excitovaný atom potom ztrácí postupně energii při srážkách s elektrony. Uvedený proces je opačný k procesu postupné ionizace, který je zmíněn výše:

e + e + A+ → A* + e.

V tomto případě se uvolněná energie přemění v kinetickou energii druhého elektronu nebo také k excitaci atomu. Tento proces se uplatňuje zejména v termálním plazmatu, kde je koncentrace molekulárních iontů nízká z důvodu tepelné disociace. V nízkoteplotním plazmatu je rychlejší a dominantnější proces disociativní elektron-iontové rekombinace popsaný níže.

Excitace a vícenásobná ionizace

Pokud je energie elektronu dostatečně velká, může dojít k excitaci či další ionizaci kladného iontu:

X+ + e → X+* + e,

X+ + e → X2+ + e + e.

Obecně může dojít k vícenásobné ionizaci i v nízkoteplotním plazmatu za atmosférického tlaku, prakticky je to však jev zanedbatelný. Hustota plynu je příliš velká na to, aby měl elektron dostatečnou volnou dráhu pro získání potřebné kinetické energie a také pravděpodobnost jeho případné srážky s již ionizovanou částicí je, při podílu ionizovaných částic k neutrálním 1:10−6 až 1:10−9, minimální.

Disociace

V případě srážky elektronu s kladným molekulárním iontem může dojít k rozštěpení molekuly:

AB+ + e → A+ + B + e.

Při srážce může dojít i k rekombinaciRekombinace – opětovný návrat elektronu do atomárního obalu, kde zaplní místo po dříve vytrženém elektronu. elektronu s molekulárním iontem. V tomto případě se může k disociaci využít i energie uvolněná při rekombinaci (přes excitovaný stav a rezonanční procesy) a tudíž může mít elektron i nižší kinetickou energii než v předchozím případě. Zbylá energie se promění v kinetickou energii nebo excitaci vzniklých částic:

AB+ + e → A + B,

AB+ + e → A* + B.

Tento proces se nazývá také disociativní elektron-iontová rekombinaceRekombinace – opětovný návrat elektronu do atomárního obalu, kde zaplní místo po dříve vytrženém elektronu. a je uváděn jako nejrychlejší proces neutralizace (rekombinace) elektronů v molekulárních plynech v objemu nízkoteplotního plazmatu. Tento proces může nastat také v plynech atomárních v případě výskytu molekulárních iontů.

Srážka elektronu se záporným iontem

Tento proces se uplatňuje zejména v případě vysokého stupně ionizace plazmatu, které je vytvořené v přítomnosti elektronegativního plynu, kde je vysoká pravděpodobnost jejich vzájemné srážky. Při této srážce může dojít prakticky pouze k jediné variantě, kdy narážející elektron vyrazí přebývající elektron ze záporného iontu. Z reakce vystupuje neutrální atom a dva volné elektrony:

X + e → X + e + e.

V případě nízkoteplotního plazmatu je záchyt dalšího elektronu na záporný iont a vytvoření vícenásobného (vícemocného) záporného iontu možný, ale velice málo pravděpodobný proces.

Přehled procesů při srážce elektronu s kladným nebo záporným iontem

Obr. 2.: Přehled procesů při srážce elektronu s kladným nebo záporným iontem.

Srážky fotonu s excitovanou částicí nebo iontem

Schémata srážek fotonu s excitovanou částicí nebo iontem jsou v zásadě podobná schématům popsaných srážek s elektrony, samozřejmě s výjimkou rekombinací. Věříme, že by si je čtenář byl schopen domyslet sám, pro úplnost je však stručně uvedeme.

Deexcitace

V případě, že do excitované částice narazí foton s energií rovnou právě excitační energii daného excitovaného stavu (rozdílu energií po a před excitací), může dojít k tzv. stimulaci nebo-li stimulované emisi (známo z laseruLASER – Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, zesílení světla pomocí stimulované emise záření. Roku 1958 ukázal C. Townes spolu s A. L. Schawlowem, že je možné zkonstruovat podobné zařízení jako již existující MASER (pracuje v mikrovlnné oblasti) také pro světlo. První laser zkonstruoval T. H. Maiman v roce 1960. Jako aktivní prostředí posloužily ionty chrómu v syntetickém rubínovém krystalu.) a následné deexcitaci. Původní foton zůstane beze změny a energie deexcitované částice se vyzáří jako nový foton koherentní s fotonem narážejícím. Tento jev není v nízkoteplotním plazmatu obvykle příliš běžný, lze jej však využít v plynových LASERech ke stimulované emisi. Reakci lze zapsat:

X* + → X + + .

Postupná excitace

V případě, že energie dopadajícího fotonu je rovna excitační energii dalšího elektronu v již jednou excitované částici, může dojít k absorpci fotonu a dalšímu zvýšení energie již excitované částice, která přechází do tzv. druhého excitovaného stavu. Reakci lze zapsat:

X* + → X**.

Postupná ionizace

V případě, že energie dopadajícího fotonu je rovna alespoň energii potřebné pro ionizaci již excitované částice (tj. rozdílu ionizační a excitační energie), může dojít k absorpci fotonu. Část jeho energie se spotřebuje na uvolnění elektronu a zbytek se přemění v kinetickou energii tohoto elektronu. Rovnici lze zapsat:

X* + → X+ + e.

Excitace a vícenásobná ionizace kladného iontu

Pokud je energie fotonu rovna některé z excitačních energií nebo větší než ionizační energie kladného iontu, může dojít k jeho excitaci nebo ionizaci:

X+ + → X+*,

X+ + → X2+ + e.

Disociace iontu

V případě srážky fotonu s kladným nebo záporným molekulárním iontem může dojít k rozštěpení molekuly:

AB+ + → A+ + B,

AB + → A + B.

Přehled procesů při srážce fotonu s excitovanou částicí nebo s iontem

Obr. 3.: Přehled procesů při srážce fotonu s excitovanou částicí nebo s iontem.

Odkazy

  1. J. Khun, V. Scholtz: Nízkoteplotní plazma V – srážky v plazmatu; Aldebaran Bulletin 47/2012.

  2. Y. P. Raizer: Gas Discharge Physics; Springer, 1991.

  3. J. Kracík, J. B. Slavík, J. Tobiáš: Elektrické výboje; Státní nakladatelství technické literatury, Praha, 1964..

Valid HTML 5 Valid CSS!

Aldebaran Homepage