Ионизация и возбуждение частиц в газе

Степень ионизации и соотношение между количеством заряженных и нейтральных частиц, классификация этих процессов. Установки по получению управляемого термоядерного синтеза. Отрицательные ионы и повышение температуры газовой среды при столкновении частиц.

Рубрика Физика и энергетика
Вид лекция
Язык русский
Дата добавления 07.01.2015
Размер файла 62,8 K

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Ионизация и возбуждение частиц в газе

Плазму, как среду, состоящую из заряженных частиц, характеризует степень ионизации или соотношение между количеством заряженных и нейтральных частиц:

- концентрация электронов, - концентрация атомов.

В случае низкотемпературной плазмы, когда температура составляет Тe0,1-1 эВ, степень ионизации невелика 0,01-0,1. Это присуще ряду газовых разрядов: тлеющему, дуговому, искровому и т.д. С другой стороны, высокотемпературная водородная плазма при температуре Тe=1-10 кэВ практически полностью ионизована и ~1. Такая ситуация реализуется на установках по получению управляемого термоядерного синтеза: токамаках, магнитных ловушках, пинчах и т.д.

Ввиду изначального присутствия заряженных частиц весьма важными при рассмотрении плазмы являются процессы, связанные с ионизацией нейтральных частиц и их возбуждением. Приведем классификацию процессов, свойственных низкотемпературной плазме:

1) Упругие процессы, которые происходят при столкновении заряженных и нейтральных частиц. При каждом упругом столкновении частица теряет часть своей энергии. Для столкновения электрона и молекулы - это приблизительно 10-4 часть исходной энергии электрона. Ввиду этого, чтобы отдать значительную часть своей энергии, электрон должен совершить около 104 столкновений.

2) Неупругие процессы, приводящие к возбуждению и ионизации нейтральных частиц при их взаимодействии с заряженными частицами и фотонами. Наиболее важным видом ионизации является процесс, связанный с электронным ударом. Тем не менее, определенный вклад в ионизацию вносят процессы ионизации ионами и нейтральными частицами. Для ряда газовых разрядов имеют значение фотоионизация квантами ультрафиолетового диапазона, а также термоионизация, учитывающая суммарный эффект увеличения температуры газа. При возбуждении электронами нейтральных частиц наиболее важными являются процессы, приводящие к возбуждению электронных (метастабильных) состояний и молекулярных колебаний, и процесс диссоциации молекул.

3) Образование отрицательных ионов (прилипание), свойственное низкотемпературной плазме, т.к. энергия связи электрона с атомом (молекулой) при этом достаточно мала (Е=0,1-3 эВ) и при повышении температуры газовой среды отрицательные ионы разрушаются.

При рассмотрении упругих столкновений частиц важной характеристикой является сечение процесса , которое в случае идеального газа имеет порядок 10-16 см2.

Упругое столкновение электрона с атомами и молекулами представляет собой взаимодействие электрона со сложным силовым полем нейтральной частицы.

Сечение данного процесса зависит от энергии электрона, и, как правило, находится экспериментально. Для учета рассеяния электрона на различные углы вводится так называемое транспортное сечение:

Где - средний косинус угла рассеяния. Эффективная частота столкновений и длина пробега при этом выражаются соответственно:

В низкотемпературной плазме отдельные взаимодействия описываются потенциалом, имеющим следующий вид:

В данной формуле - постоянный коэффициент, а знак плюс или минус выбирается в зависимости от отталкивания или притяжения соответственно. Показатель степени n=1 полагается при кулоновском взаимодействии, n=4 описывает случай индуцированного взаимодействия электронов или ионов с поляризованной молекулой, обладающей дипольным моментом, и для взаимодействия поляризованных молекул иногда используют потенциал с n=9-15. Рассмотрим основные результаты, связанные с выводом формулы Резерфорда, необходимой для получения кулоновского сечения заряженных частиц. Формула для числа частиц, рассеянных в 1 с в телесный угол на рассеивающем центре (1) с зарядом +Ze (рис. 1) имеет вид:

В данной формуле n - концентрация рассеиваемых частиц (2), v - их скорость, () -кулоновское сечение. Заряд каждой частицы +ze.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1

Взаимодействие налетающей частицы (2) и рассевающего центра (1) рассматривается в системе центра масс (Ц -системе) и описывается потенциалом:

Для угла рассеивания записываются следующие выражения:

Где М - приведенная масса, v0 -скорость налетающей частицы в Ц - системе.

Дифференциальное сечение кулоновского взаимодействия выражается как:

Окончательный вариант формулы Резерфорда для сечения имеет вид:

Одной из первых формул для ионизации атома электронным ударом явилась формула Томсона (1912 г.). Ее вывод был основан на представлениях классической механики и электродинамики. Ионизация атома представляется в виде формулы:

e- + A 2e- + A+

Томсон исходил из представления, что столкновение электрона происходит с валентным электроном атома, которому в результате столкновения передается энергия E>I (I - энергия ионизации). В момент столкновения связью валентного электрона и атома можно пренебречь. Это существенно упрощает вывод. Рассмотрим столкновение электрона и атома в Ц-системе. В силу слабой связи валентного электрона и атома рассматривается взаимодействие рассеиваемого электрона и иона. Для энергии, переданной атому электроном в зависимости от угла рассеивания , записывается следующая формула:

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2

На рис. 2 представлены скорости электрона до и после взаимодействия, и - скорость атома. Согласно формуле Резерфорда кулоновское сечение для атома водорода имеет вид:

После интегрирования выражения от энергии ионизации I до энергии налетающего электрона получается следующее выражение:

Для сечения ионизации атома водорода электронным ударом формула Томсона имеет вид:

Впоследствии был получен универсальный вид формулы Томсона при учете безразмерной функции f(x) для атома, имеющего n валентных электронов:

На рис. 3 представлена данная функция f(x) и экспериментальные точки для атомов водорода и гелия. Формула Томсона, несмотря на сделанные допущения (о валентном электроне), дает достаточно хорошие данные для сечения ионизации ряда атомов. При квантово-механическом выводе данного сечения ионизации формула была скорректирована формула путем введения логарифмической зависимости от E в числителе:

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 3

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 4

Рассмотрим в качестве примера зависимости для сечений ионизации атомов и молекул электронным ударом для некоторых газов (рис. 4). Характерной формой зависимости является наличие порога для величины Eпор, максимума для сечения в диапазоне i=(0,5-4)10-16 см2 и последующего спада при увеличении энергии в диапазоне Е>200 эВ.

Представим наиболее важные результаты для термической ионизации и фотоионизации. Данные процессы играют важную роль для низкотемпературной плазмы, в особенности для дугового, искрового и скользящего разрядов. При термической ионизации рассматривается суммарный вклад электронов и атомов в возбуждение и в ионизацию атомов. Для вывода формул используется формула Саха, использующая представления о термодинамическом равновесии в плазме. Основными случаями являются (рис.5) ступенчатая (а) и прямая (б) ионизации.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

а) б)

Рис. 5

Для ступенчатой ионизации водорода коэффициент ионизации имеет вид:

, ga=2, C=3 6

Прямая ионизация водорода описывается следующей формулой:

-сечение ионизации электронами.

В данной формуле предполагается, что наибольший вклад в ионизацию атомов вносят электроны.

При низкой температуре Te ступенчатая ионизация преобладает над прямой ионизацией, т.е.: .

Фотоионизация является сугубо пороговым процессом возможным, когда энергия фотона превышает энергию ионизации атома (E>I). Процесс фотоионизации описывается формулой:

+ А = А+ + e-

Для атома водорода при энергии фотона более энергии ионизации () выражение для сечения фотоионизации имеет вид:

- боровский радиус водорода.

В случае сильновозбужденного состояния атома водорода справедлива формула Крамерса:

n - Главное квантовое число.

Значения сечений фотоионизации для ряда атомов находятся в диапазоне ф=(0,1-8)10-18 см2. Значение ф максимально у порога и затем спадает при увеличении частоты фотона.

ионизация частица ион заряженный термоядерный

Размещено на Allbest.ru

...

Подобные документы

  • Взаимодействие заряженных частиц и со средой. Детектирование. Определение граничной энергии бета-спектра методом поглощения. Взаимодействие заряженных частиц со средой. Пробег заряженных частиц в веществе. Ядерное взаимодействие. Тормозное излучение.

    курсовая работа [1,1 M], добавлен 06.02.2008

  • Ускорители заряженных частиц как устройства, в которых под действием электрических и магнитных полей создаются и управляются пучки высокоэнергетичных заряженных частиц. Общая характеристика высоковольтного генератора Ван-де-Граафа, знакомство с функциями.

    презентация [4,2 M], добавлен 14.03.2016

  • Ускорители заряженных частиц — устройства для получения заряженных частиц больших энергий, один из основных инструментов современной физики. Проектирование и испытание предшественников адронного коллайдера, поиск возможности увеличения мощности систем.

    реферат [685,8 K], добавлен 01.12.2010

  • Ионизация в идеальном газе и плазмозоле. Система идентичных частиц в буферном газе. Учет ионизации атомов легкоионизируемой присадки. Дебаевский подход моделирования гетерогенных кулоновских систем. Ячеечные модели плазмы, содержащей частицы.

    курсовая работа [466,7 K], добавлен 14.03.2008

  • Рассмотрение способов определения коэффициентов амбиполярной диффузии. Общая характеристика уравнения непрерывности. Анализ пространственного распределения частиц. Знакомство с особенностями транспортировки нейтральных частиц из объема к поверхности.

    презентация [706,1 K], добавлен 02.10.2013

  • Динамика частиц, захваченных геомагнитным полем, ее роль в механизме динамики космического изучения в околоземном пространстве. Геометрия радиационных поясов Земли. Ускорение частиц космического излучения. Происхождение галактических космических лучей.

    дипломная работа [1,2 M], добавлен 24.06.2015

  • Фундаментальные физические взаимодействия. Гравитация. Электромагнетизм. Слабое взаимодействие. Проблема единства физики. Классификация элементарных частиц. Характеристики субатомных частиц. Лептоны. Адроны. Частицы - переносчики взаимодействий.

    дипломная работа [29,1 K], добавлен 05.02.2003

  • Изучение процессов рассеяния заряженных и незаряженных частиц как один из основных экспериментальных методов исследования строения атомов, атомных ядер и элементарных частиц. Борновское приближение и формула Резерфорда. Фазовая теория рассеяния.

    курсовая работа [555,8 K], добавлен 03.05.2011

  • Необходимость управляемого термоядерного синтеза. Плазма и топливный цикл термоядерного реактора. Высокотемпературный нагрев вещества, лазерный управляемый термоядерный синтез. Характеристика особенностей реализации "лазерного" термоядерного синтеза.

    реферат [1,1 M], добавлен 27.05.2012

  • Явление рассеяния света. Воздействие частиц вещества на световые волны. Понятие рэлеевского рассеяния и частицы пигмента. Относительный показатель преломления частиц и среды. Увеличение количества отраженного белого света. Исчезновение насыщения цвета.

    презентация [361,6 K], добавлен 26.10.2013

  • Свойства всех элементарных частиц. Связь протонов и нейтронов в атомных ядрах. Классификация элементарных частиц. Величина разности масс нейтрона и протона. Гравитационные взаимодействия нейтронов. Экспериментальное значение времени жизни мюона.

    реферат [24,3 K], добавлен 20.12.2011

  • Понятие и принцип работы ускорителей, их внутреннее устройство и основные элементы. Ускорение пучков частиц с высокой энергией в электрическом поле как способ их получения. Типы ускорителей и их функциональные особенности. Генератор Ван де Граафа.

    контрольная работа [276,8 K], добавлен 18.09.2015

  • Один из важнейших приборов для автоматического счёта элементарных частиц - счётчик Гейгера, основанный на принципе ударной ионизации. Конденсация перенасыщенного пара с образованием капелек воды в камере Вильсона. Метод толстослойных фотоэмульсий.

    доклад [697,7 K], добавлен 28.05.2009

  • Основные принципы действия электронных, ионных и полупроводниковых приборов. Движение свободных частиц. Четыре группы частиц, используемых в полупроводниковых приборах: электроны, ионы, нейтральные атомы, или молекулы, кванты электромагнитного излучения.

    реферат [619,2 K], добавлен 28.11.2008

  • Создание большого адронного коллайдера, ускорителя заряженных частиц на встречных пучках. Предназначение его для разгона протонов и ионов, изучение продуктов их соударений. Изучение космических лучей, моделируемых с помощью несталкивающихся частиц.

    презентация [1,1 M], добавлен 16.04.2015

  • Сцинтилляционный, черенковский детектор частиц. Ионизационная камера, пропорциональный счетчик. Требования к детекторам. Каскадный ускоритель, электростатистический генератор. Ускорение протонов при облучении коротким лазерным импульсом тонкой фольги.

    курсовая работа [4,6 M], добавлен 16.11.2014

  • Основные характеристики и классификация элементарных частиц. Виды взаимодействий между ними: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное. Состав атомных ядер и свойства. Кварки и лептоны. Способы, регистрация и исследования элементарных частиц.

    курсовая работа [65,7 K], добавлен 08.12.2010

  • Особенности газовой среды. Средняя длина свободного пробега частиц в газе. Энергия электронов в кристалле. Электрические свойства кристаллов. Движение электронов в вакууме в электрическом и магнитных полях. Электростатическая (автоэлектронная) эмиссия.

    курсовая работа [343,0 K], добавлен 08.12.2010

  • Понятие броуновского движения как теплового движения мельчайших частиц, взвешенных в жидкости или газе. Траектория движения частиц. Разработка Эйнштейном и Смолуховским первой количественной теории броуновского движения. Опыт исследователя Броуна.

    презентация [83,5 K], добавлен 27.10.2014

  • Анализ естественных и искусственных радиоактивных веществ. Методы анализа, основанные на взаимодействии излучения с веществами. Радиоиндикаторные методы анализа. Метод анализа, основанный на упругом рассеянии заряженных частиц, на поглощении P-частиц.

    реферат [23,4 K], добавлен 10.03.2011

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.