放电物理5-1.ppt

碰撞截面反映了粒子的散射能力，因此也叫散射截面 不同的碰撞过程产生的散射能力用不同的碰撞截面描述，如：弹性碰撞截面，激发碰撞截面，电离碰撞截面碰撞截面的大小：原子断面的量级，也用Bohr半径表示，称为 靶(b)截面与气体原子的数密度（气压）和温度无关，引入总有效碰撞截面其单位量纲是 cm-1 实验发现电子与气体的碰撞截面，与电子速度有关，也与气体种类有关上述讨论的靶面积只是一个气体的碰撞面积总有效碰撞截面的物理意义：入射粒子行进单位长度时受到的碰撞次数入射粒子碰撞一次走过的路径长度-自由程总碰撞截面是各类碰撞截面之和2.碰撞频率和碰撞几率某种碰撞在所有碰撞中所占比例，就是碰撞几率入射粒子在单位时间内发生的碰撞次数 就是碰撞频率碰撞频率的单位：s-1放电气体中发生最多的还是弹性碰撞，即弹性碰撞截面最大，弹性碰撞自由程最短。弹性碰撞决定了自由程。碰撞截面与电子能量的关系是复杂的，通常需实验测定 称为标准条件下的总碰撞截面下面几种气体的各类总截面随电子速度的函数曲线电子速度是按照电子能量的电子伏特值计算的。随着原子量增加，同样电子速度的碰撞截面增加。随着电子速度增加，碰撞截面减小，这是因为电子速度越大，作用势产生的偏折越小。电子能量很低时，碰撞截面下降，出现极小值，碰撞过程的量子效应决定的。称为冉绍尔效应。冉绍尔曲线原子都有类似的冉绍尔效应1.碰撞截面随电子速度增加而下降2.仍然出现了低能电子的冉绍尔效应3.对于金属原子存在多个极小值，都是冉绍尔效应的结果。4.金属原子的碰撞截面大于惰性原子，这是因为价电子的原因1.离子的弹性碰撞截面远大于电子的弹性碰撞截面2.随离子能量增加，单调下降，没有冉绍尔效应碰撞电离的起始点碰撞电离的起始点对应于电离能对应于电离能电离截面在电离截面在100eV100eV前后达到最大前后达到最大电离能附近，电离电离能附近，电离截面线性增加截面线性增加能量太大，电离截能量太大，电离截面反而减小面反而减小对应于光学跃迁能级对的激发截面存在激发阈值，能级激发能附近501.5nm辐射的截面三重态跃迁的共振性明显电子能量太大，激发降低热激发和热电离三类过程：高温热平衡等离子体1.热粒子互相碰撞产生激发和电离2.激发后产生的光子再次用于激发和电离3.产生的电子用于电离和激发热电离气体的状态炙热电离的气体是热平衡体系，离子，电子和原子炙热电离的气体是热平衡体系，离子，电子和原子组成的热力学体系，有共同温度组成的热力学体系，有共同温度 压强：压强：P=PP=Pa a+P+Pi i+P+Pe e多组分化学平衡的平衡方程多组分化学平衡的平衡方程 是电离度平衡方程式可以表示为平衡方程式可以表示为SahaSaha方程方程Saha方程电离平衡方程电离平衡方程实用形式实用形式Saha方程的用法计算电离度：计算电离度：已知温度，压强和电离能已知温度，压强和电离能 电离气体中，原子的电离能通常略小于孤立原子的电离气体中，原子的电离能通常略小于孤立原子的电离能。电离能。测量电离度：计算电离能测量电离度：计算电离能 测量电导率测量电导率计算带电粒子密度计算带电粒子密度电离度电离度电离能电离能负离子的产生 吸附电子能力：原子吸附电子以后，原子内部的电子状态也吸附电子能力：原子吸附电子以后，原子内部的电子状态也相应发生变化。因此电子吸附之后的体系能量如果是降低的，相应发生变化。因此电子吸附之后的体系能量如果是降低的，则具有吸附电子的趋势。则具有吸附电子的趋势。负离子是稳定的电子吸附能量负离子产生机理负离子产生是内能减小的过程，不同于电离和激发过程。负离子产生是内能减小的过程，不同于电离和激发过程。电离和激发需提供能量，而负离子产生需要排放能量，因电离和激发需提供能量，而负离子产生需要排放能量，因此产生负离子的原子和电子能量越小越有利。此产生负离子的原子和电子能量越小越有利。低能电子有利于产生负离子，负离子也可以被加速，然后低能电子有利于产生负离子，负离子也可以被加速，然后再中和，产生中性能量束再中和，产生中性能量束1.辐射吸附辐射吸附:e+AAe+AA-+hv+hv2.碰撞吸附：碰撞吸附：e+A+BAe+A+BA-+B+B3.分解吸附：分解吸附：e+AB(AB)e+AB(AB)-*-*A A-+B+B4.e+AB(AB)e+AB(AB)-*-*(AB)(AB)-*-*+C(AB)+C(AB)-+C+C5.电子碰撞解离电离：电子碰撞解离电离：e+AB Ae+AB A-+B+B+e+e6.重粒子碰撞：重粒子碰撞：A+B AA+B A-+B+B+1 1和和3 3是两体过程，是两体过程，2 2、4 4和和5 5是三体过程，通常低气压下发是三体过程，通常低气压下发生的生的1 1和和3 3过程。过程。6 6只是在特殊情况下出现。只是在特殊情况下出现。吸附几率 双体碰撞过程双体碰撞过程:可以用截面来描可以用截面来描述碰撞的可能性述碰撞的可能性 吸附过程：吸附碰撞截面和电子吸附过程：吸附碰撞截面和电子吸附自由程吸附自由程 电子束进入气体，碰撞速率和吸电子束进入气体，碰撞速率和吸附碰撞速率为附碰撞速率为 弹性碰撞并不损失电子，弹性碰撞并不损失电子，x x处电子处电子密度为：密度为：dxdx距离上发生的附着次数距离上发生的附着次数电子群的吸附入射电子速度不是单一的，通过气体时，总碰撞频率入射电子速度不是单一的，通过气体时，总碰撞频率上单位长度上的碰撞次数上单位长度上的碰撞次数如果电子密度为n，那么dx距离的吸附数量为测量吸附系数利用上述关系测量利用上述关系测量h,h,电子群的速度是电场决定的电子群的速度是电场决定的H H即是电子速度的函数，又是电场的函数，因此是约化即是电子速度的函数，又是电场的函数，因此是约化场强场强(E/P)(E/P)的函数的函数气体气体O O2 2COCONONOCOCO2 2N N2 2O OSFSF6 6截面截面（1010-3 3b)b)16162.32.312.712.74.84.8979724402440电子电子能量能量6.56.59.99.98.158.158.18.12.22.20.10.1电离气体中的激发态通过碰撞消失的过程，激发转移；离子消失的过程，消电离消电离过程：离子复合，电荷转移，负离子形成，扩散和迁移Penning 过程激发态原子能量 大于另一原子的电离能是带电粒子产生激发态能量等于电离能时，能量转移最有效激发态要有足够大的寿命，如：亚稳态截面：3X10-19cm2 电子碰撞电离截面：3X10-20cm2作业：计算能量为2eV的电子在氩气中的自由程和碰撞频率