I. Элементарные процессы.

1. Основные понятия физики атомных столкновений.

1.1. Эффективное сечение.

Для характеристики вероятности столкновений частиц в газе служат такие величины, как длина свободного пробега, среднее время между соударениями, частота столкновений. Все они зависят как от свойств частицы, так и от плотности газа.

Мерой вероятности индивидуального акта определенного рода (скажем, упругого соударения, ионизации и т. д.) является соответствующее эффективное сечение. Это понятие вводится следующим образом. Представим себе, что на одну частицу-мишень налетает однородный в пространстве поток ударяющих частиц со скоростью относительно мишени [см/с] и плотностью [см^-3]. Вообразим, далее, что выбитая со своего места или претерпевшая какое-либо изменение частица-мишень немедленно заменяется новой. Число ударов определенного рода, которое испытывает такая «неуязвимая» мишень в 1 с, [с^-1] тем больше, чем больше проходит за это время частиц через 1 см². Число соударений пропорционально именно плотности потока частиц в месте расположения мишени, а не полному потоку. В самом деле, если увеличить полный поток вдвое, но пропустить вторую партию значительно дальше от мишени, чем первую, число ударов практически не изменится. Коэффициент пропорциональности между и ,

[см²] (1.1)

имеющий размерность площади, называется эффективным сечением данного процесса или, для краткости, просто сечением. Сечение зависит от индивидуальных особенностей партнеров, законов их взаимодействия и скорости относительного движения .

1.2 Частота столкновений.

Число соударений определенного рода, которые данная частица (назовем ее 1) в среднем совершает в 1 с, двигаясь в газе из частиц-мишеней 2, называют частотой столкновений. Чтобы найти это число, представим себе, подобно предыдущему, что пучок частиц 1 со средней плотностью и скоростью налетает на газ из неподвижных частиц-мишеней со средней плотностью . В соответствии с (1.1) в 1 см³ в 1 с происходит актов соударений. Каждая из налетающих частиц 1 совершает в 1 с

(1.2)

ударов. Выражения (1.1) и (1.2) симметричны, поскольку частоты столкновений, испытываемых соударяющимися частицами, пропорциональны плотностям партнеров, а в остальном зависят от взаимной величины — скорости относительного движения. В общем случае формула (1.2) еще не решает поставленной задачи. Говоря о частоте столкновений, которые испытывает данная частица, подразумевают, что это — частица с определенной энергией или скоростью движения в системе координат, где покоятся не отдельные молекулы, а газ в целом. Поэтому выражение (1.2) нужно усреднить по скоростям частиц-мишеней, которые на самом деле совершают тепловое движение. Проще всего дело обстоит, когда речь идет о частоте столкновений электрона. Из-за малости массы электрона m даже при сравнимых энергиях его скорость гораздо больше скоростей тяжелых частиц, поэтому практически совпадает со скоростью электрона, и частота его столкновений есть

, (1.3)

где для общности опушены все индексы.