книги из ГПНТБ / Смирнов Б.М. Ионы и возбужденные атомы в плазме

ПРЕДИСЛОВИЕ

В книге освещены вопросы химии плазмы, исследующей эле­ ментарные процессы соударения присутствующих в плазме атомных частиц, при которых изменяется их сорт. Интерес к химии плазмы, изучающей в первую очередь процессы химиче­ ских превращений с участием заряженных частиц и возбужден­ ных атомов, обусловлен ее прикладным значением. Результаты химии плазмы существенны для ряда областей физики и химии, таких, как физика плазмы, физика верхней атмосферы*, газо­ вые лазеры и источники излучения, плазмохимия, фотохимия и т. д. Химия плазмы, которую обычно считают частью физики атомных столкновений, существует с начала века. Первыми ра­ ботами по химии плазмы можно считать классические работы Ланжевеиа и Томсона по рекомбинации положительных и от­ рицательных ионов в газе и ионизации атомов электронным уда­ ром. Со временем к ним присоединился еще целый ряд работ по соударению с участием заряженных и возбужденных атом­ ных частиц.

Хотя указанные процессы аналогичны химическим реакциям при соударении атомов и молекул, методы исследования в хи­ мии плазмы имели мало общего с химией реакций в газовой фазе. Экспериментальные методы химии плазмы, связанные с идентификацией заряженных частиц и возбужденных атомов, более просты и обычно имеют более высокую точность, чем ме­ тоды измерения скорости химических реакций в газовой фазе. С теоретической точки зрения процессы, которые представляют интерес для химии плазмы, происходят с более простыми си­ стемами, чем в химии газовых реакций. Поэтому при теорети­ ческом исследовании этих процессов часто можно обойтись без разработки полуэмпнрических методов и сложных моделей, характерных для химии газовых реакций. Кроме того, область энергий соударения, представляющих интерес для химии плаз­

* Например, в популярной книге А. Д. Данилова «Химия, атмосфера и космос» (Л., Гидрометеоиздат, 1968) приводится большое число реакций с участием ионов и атомов, существенных для верхней атмосферы Земли, и описывается их влияние на свойства верхней атмосферы.

3

мы, гораздо шире, чем в случае химии газовых реакций. По этим причинам химия плазмы и химия газовых реакций, кото­ рые занимаются изучением подобных процессов, довольно силь­ но отличаются друг от друга методами исследования соответст­ вующих процессов.

Однако постепенно грань между химией плазмы и химией газовых реакций стирается. Развитие химии раздвигает иссле­ дуемую область энергий соударения атомов и молекул при хи­ мических реакциях, так что области энергий соударения атом­ ных частиц и атомных систем, представляющих интерес для хи­ мии плазмы и химии газовых реакций, все более перекрываются. Далее, химия берет на вооружение топкие методы исследования химических реакций, которые первоначально появились в физи­ ке атомных столкновении и позволяют изучить детали проте­ кающего процесса. Примером тому является метод пересекаю­ щихся молекулярных пучков, который несколько лет назад был освоен для изучения химических реакций. (Используемую для этой цели установку часто называют химическим ускорителем.)

По этим причинам в ряде случаев химия плазмы и химия газовых реакций оказываются близкими. Например, при иссле­ довании процесса объединения двух атомов в молекулу при тронном соударении с атомами и молекулами один из спосо­ бов нахождения плотности атомов основан на измерении коэф­ фициента поглощения атомами излучения, вызывающего их воз­ буждение. Этот процесс, который относится к химии газовых реакций, аналогичен процессу образования электронно-возбуж­ денной молекулы из возбужденного атома как по своему меха­ низму, так и по методу экспериментального исследования. По­ следний процесс относится к химии плазмы. Сближение химии плазмы и химии газовых реакций связано и с развитием самой химии плазмы. Так, при изучении верхней атмосферы Земли на высоте менее 100 км были обнаружены комплексные ионы раз­ ного сорта, которые на меньших высотах определяли основной состав ионов. Это вызвало исследование процессов образования и разрушения комплексных ионов, которые по своей структуре подобны сложным молекулам.

В ряде проблем задачи химии плазмы и химии газовых реак­ ций перекрываются. Например, с начала века существует об­ ласть химии — плазмохимия, которая связана с осуществлением химических реакций с помощью газового разряда. Эта область решает в основном инженерно-технические задачи, позволяю­ щие производить химические вещества пропусканием газа или пара через разряд. Ввиду практического значения такого на­ правления представляет интерес исследование совокупности процессов, протекающих в области газового разряда, так как присутствие заряженных и возбужденных атомных частиц мо­ жет повлиять на основной процесс. Подобным образом перепле­ таются задачи химии плазмы и химии газовых реакций в случае,

4

если вступающие в химическую реакцию молекулы оказываются

вколебательно-возбужденных состояниях.

Внастоящее время химия плазмы формируется в отдельную1 область науки, которая находится на стыке физики атомных

столкновений и химии газовых реакций. Она выделяет из физи­ ки атомных столкновений процессы, при которых меняется сорт сталкивающихся частиц, причем существенно, что энергия со­ ударения много меньше характерных атомных энергий. Кроме того, в отличие от физики атомных столкновений, имеющей дело с элементарными актами соударения двух частиц, заметная часть процессов химии плазмы связана со столкновением трех частиц, и каждое тройное столкновение может сопровождаться большим числом парных соударений.

Интенсивному развитию химии плазмы и выделению ее в самостоятельное направление способствуют требования, кото­ рые предъявляются к ней другими областями физики и химии. Именно по этой причине, например, почти вся эксперименталь­ ная информация по константам образования сложных и ком­ плексных ионов, константам освобождения электронов в слу­ чае соударения, отрицательных ионов с атомами и молекулами при тепловых энергиях, а также по константам некоторых дру­ гих процессов получена в последние годы.

Цель данной книги — обработать информацию по химиче­ ским превращениям, происходящим при участии ионов и воз­ бужденных атомов. В связи с такой направленностью книги ос­ новное внимание сосредоточено на результатах, к которым при­ водит химия плазмы. Поэтому при описании эксперимента дается лишь физическая идея его постановки без анализа дета­ лей, что позволяет получить представление о возможностях и точности эксперимента. Основное же внимание уделяется ре­ зультатам эксперимента. Теория также привлекается для полу­ чения конкретных результатов, касающихся механизма рассма­ триваемых процессов, их деталей, нахождения констант или се­ чений процессов и их зависимости от параметров задачи.

Книгу условно можно разделить на две части. В первой ча­ сти (гл. 1—5) рассмотрены свойства ионов и возбужденных ато­ мов, процессы их образования, некоторые процессы их разруше­ ния, а также законы их движения в газе во внешних полях. Вто­ рая часть книги (гл. 6— 11) посвящена химии плазмы, т. е. про­ цессам соударения с участием ионов и возбужденных атомов, при которых происходит изменение сорта сталкивающихся ча­ стиц. В книге содержится много данных справочного характера. Частично в ней используется материал монографии автора «Атомные столкновения и элементарные процессы в плазме»

(М., Атомиздат, 1968).

Автор считает своим приятным долгом выразить благодар­ ность Л. А. Палкиной за помощь при подготовке рукописи к печати.

5

расстояниях от налетающего электрона до атома имеет асимп­ тотический вид:

¥ (г, £)г^.оо = exp (iqr) ф0 (g),

где \['o — волновая функция атома в начальном состоянии. Волновая функция атома ф , нормирована условием

J ф, (g) 4v (£)<£ = в ( q - q ') ,

где J отвечает интегрированию по всем внутренним коорди­ натам атома. Представленное выражение для сечения иониза­ ции не учитывает обмена между налетающим и валентным элек­ тронами. Полное сечение ионизации атомной частицы при столкновении с электроном, обладающим волновым вектором q, равно

Рассмотрим ионизацию атома быстрым электроном, энер­ гия которого значительно превышает потенциал ионизации ато­ ма. В этом случае асимптотическим выражением полной волно­ вой функции T (r, s) =exp(iqr)ij?o(!) для системы сталкиваю­ щихся электрона и атома можно воспользоваться в области ко­ ординат налетающего и атомных электронов, которая опре­ деляет рассеяние. В таком приближении, носящем название борцовского, получим для амплитуды перехода [1—4]

Ли (6) = - (т/2лй*) J ф;, (1) exp ( - iKr') V (г, I) ф0 (£) dl, (1.4)

где K= ^in—q — изменение импульса налетающего электрона в результате столкновения; V — потенциал взаимодействия элек­ трона с атомом, который определяется по формуле

„V ___t _______

имеем в борцовском приближении для амплитуды ионизации

7

Поскольку квадрат изменения импульса электрона при иони­ зации атома K2 = q2+ q 2—2 <7^j cos 0, где 0 — угол рассеяния, то

При ЭТОМ Kmm = q—<?1, Амане = <7 + <7l— область ЗНаЧбНИЙ ВОЛНО­

ВОГО вектора освободившегося электрона — определяется зако­ ном сохранения энергии.

В конкретном случае ионизации атомов водорода и гелия при столкновении с быстрым электроном сечение ионизации в борцовском приближении было вычислено Месси и Мором [5J. Для безразмерных значений волновых векторов (А-э-Айо, q'-+q'a0, q\—>~q\ao, где а0 — радиус Бора) дифференциальное се­ чение ионизации атома водорода электронным ударом в бор­ цовском приближении равно [3, 5, 6]

(1.7)

Интегрирование этого выражения по переданному импульсу А от Kunu = q—qi до Амане= <7 +<71 дает возможность определить спектр освобожденных электронов. При большом импульсе осво­ бодившихся электронов (<7'^>1) интеграл (1.7) быстро схо­ дится вблизи K=q'- Он равен

т. е. быстро убывает с увеличением импульса электрона. Поэто­ му при ионизации атома электронным ударом в основном осво­ бождаются не очень быстрые электроны (с энергией порядка потенциала ионизации атома).

При больших энергиях налетающего электрона изменение волнового вектора налетающего электрона А велико по сравне­ нию с характерным значением волнового вектора валентного электрона в атоме. Следовательно, экспоненту в формуле (1.6) можно разложить в ряд ехр(— iKi\) = l—iKn. Матричный эле­ мент от первого члена разложения обращается в нуль в силу ортогональности волновых функций атома. Поэтому амплитуда рассеяния оказывается пропорциональной матричному элементу от оператора дипольного момента атома D = Sert-, взятому меж-

С

ду начальным и конечным состояниями. В соответствии с этим

■8