Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное автономное образовательное

учреждение высшего образования

«Южный федеральный университет»

Институт нанотехнологий, электроники и приборостроения

ОТЧЁТ

О ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ

Электрические разряды в газах

1 Физика плазмы

Свойства плазмы начинают проявляться у газа, когда кинетическая энергия структурных единиц (атомов, молекул) газа равна или превышает энергию ионизации атомов или молекул (перед ионизацией молекулы диссоциируют на атомы) газа и в результате столкновений этих частиц между собой возникают пары «ион – электрон». При этом газ состоит как из нейтральных частиц (нейтральные атомы и молекулы), так из частиц с выраженным электрическим зарядом ((молекулярные) ионы, электроны). Нужно понимать, что у такого состояния вещества могут проявляться свойства плазмы даже, если доля нейтральных частиц от всех больше доли ионизованных атомов. Также существенным свойством плазмы является то, что в газе потенциальная энергия взаимодействия частиц обусловлена силами Ван-дер-Ваальса (силы межмолекулярного взаимодействия), в плазме – кулоновским взаимодействием.

Если передаваемой атому энергии недостаточно для отрыва электрона, происходит возбуждение атома, которое снимается излучением кванта или передачей энергии другим электронам. В свою очередь, излучённые кванты поглощаются другими атомами, либо свободно уходят.

Изолированной плазме всегда сопутствует свойство квазинейтральности: равенство плотностей зарядов ионов и электронов в масштабе всей плазмы, но неравенство в локальных масштабах плазмы за счёт флуктуативных процессов.

Возникающие заряды в плазме создают, вообще говоря, электромагнитные поля и они тем больше, чем больше разобщены (удалены) положительные заряды (ионы, которые в данном контексте называют катионами (термин из электрический химии)) от отрицательных (электронов). Но взаимное удаление разноимённых зарядов может происходить только при совершении работы против электрических полей, которая в изолированной плазме может совершаться только за счёт траты кинетической энергии частиц плазмы. В конечном счёте такое расползание будет иметь предел, который характеризуется средним расстоянием, на которое смогли разбежаться электроны и ионы друг от друга. Это расстояние называется радиусом Дебая , где – постоянная Больцмана; T – температура плазмы; n – концентрация плазмы (сумма количеств ионов и электронов, отнесённая к объёму, занимаемому плазмой).

Также в плазме в её электрических полях и под их действие будут двигаться электроны. Их движение таково, что оно будет иметь колебательный (осциллирующий) характер с частотой Ленгмюра , где m – масса электрона.

Дебаевский радиус и ленгмюровская частота являются важнейшими характеристиками плазмы.

Т.о., можно резюмировать, что плазма – это квазинейтральный ансамбль заряженных (и нейтральных) частиц, размеры которого существенно больше радиуса Дебая.

Плазму считают идеальной, если средняя кинетическая энергия частиц существенно больше потенциальной энергии их взаимодействия. Критерием неидеальности является неравенство , а величина – параметром неидеальности. По нему плазма идеальна, если .

2 Равновесие в плазме. Формула Саха

В равновесии скорости прямого и обратного процессов совпадают,

так что должно быть , и константа равновесия K, которая

определяется как отношение коэффициентов скоростей прямых и

обратных процессов, оказывается равной: , где , , – плотности атомов, ионов и электронов соответственно.

, где , , – статистические веса ионов, электронов и атомов соответственно; I – энергия ионизации атома; – приведенная масса. Формула Саха (и её аналоги) применима к плазме, находящейся в полном термодинамическом равновесии

Формула Саха – связывает основные фундаментальные характеристики взаимодействующих частиц: приведённую массу (для процесса ионизации она примерно равна массе электрона m_e с точностью до малого отношения m_e/m_i, где m_i – масса иона), статистические веса частиц (иона, электрона, атома), энергию ионизации атома и температуру плазмы с константой равновесия К, с помощью которой можно рассчитать степень ионизации газа. Фундаментальные характеристики хорошо известны: статистический вес электрона равен двум, а статистические веса атома и иона рассчитываются независимо, они равны числу состояний с данным главным квантовым числом, например, для атома водорода в состоянии с главным квантовым числом, равным n, статистический вес равен 2n².