Физика плазмы

Лэнгмюр изучал тлеющий заряд

Состояние вещества в столбе он назвал плазмой

Энергии: кинетическая, потенциальная, колебания, ионизации

1) В твёрдом теле W_пот>>W_кин Только электроны движутся

2) В жидкости W_колеб>>W_пот Расстояние между атомами и молекулами примерно фиксировано но разлёта пока нет

3) В газе W_кин >W_пот

4) В плазме W_иониз> всех видов энергии

Представим себе

n – концентрация

n_e = n_i

C = E = E = ∙

F = ∙ W = ∙ e

конденсатор

Q = C∙U

Свойства плазмы :

1. Ионизованность

2. Квазинейтральность (из-за того что n_e = n_i)

Будем считать, что все ионы и электроны движутся в одном направлении. Каждый имеет свою ориентацию

Либо они разлетаются, либо нет

В каком случае они не разлетаются?

Если W_кин = W_пот

Q = S∙d∙n_e∙e U = = ∙4πd E = 4πd∙n_ee F = 4πd∙n_ee²

ω_o = = ω_p — плазменная частота (лэнгмюровская частота)

Приравниваем энергию к kT

d = — Дебаевский радиус

Можно говорить о разной температуре Т_e и T_i

Чем меньше взаимодействие, тем меньше радиус. Он зависит от n_e и Т_е

Определение:

Плазма – ионизованный, квазинейтральный газ, имеющий размеры, превышающий радиус Дебая

В плазме разделение может быть на расстояние меньше радиуса Дебая

Идеальная плазма – когда W_кин >> W_{эл взаим}

kT >> => kT >>

Мы имеем дело с неидеальной плазмой

p ~ nv² — давление

Элементарные процессы в плазме.

Плазма характеризуется степенью ионизации

n_e – концентрация электронов в плазме

n_a – концентрация атомов в плазме

n_i – концентрация ионов в плазме

^плазма высоко ионизована

<^плазма слабо ионизована

В плазме существуют молекулы и радикалы.

Если энергия электрона больше потенциала ионизации, то он сможет вылететь из атома.

Процессы в плазме:

1. Ионизация

2. Рекомбинация

3. Перезарядка

4. Ассоциация

5. Диссоциация

6. Возбуждение

7. Снятие возбуждения

8. Образование отрицательных ионов

1,2,3 – ионы и электроны

4,5 – молекулы

Введем обозначения:

А – атом

А^± - ион

АВ – молекула

А^* - возбужденный атом

е^- - электрон

1. Ионизация плазмы

а) А + hν → А⁺ + е^-

б) А + В → А⁺+ В + е^- (W_B>>W_A)

в) А + В^* → А⁺ + В + е^- (V_iA< V_iB)

г) Ионизация электронным ударом

А + е^- → А⁺ + 2е^- (W_e >> W_A)

Наиболее вероятные процессы а, б, г.

2) Рекомбинация

а) А⁺ + е^- → А + hν излучательная рекомбинация

hν = W_e + V_i

б ) Тройная рекомбинация

А⁺ + е^- + В → А + В^* Рекомбинационные полосы

3. Перезарядка

А⁺ + В → А + В⁺ (W_A<W_B)

4) Ассоциация

А + В → АВ

5) Диссоциация

АВ → А + В

6. Возбуждение

а) А + е^- → А^* + е^- - Возбуждение электронным ударом

б) А + В^* → А^* + В - Возбуждение другим возбужденным атомом

в) А + hν → А^* - Поглощение электромагнитного излучения

7) Снятие возбуждения

τ – время жизни в возбужденном состоянии

τ ~ 10^-8 сек

а) Высвечивание

А^* → А + hν

А^** → А^* + hν₁ → А + hν₂

б) Ассоциативная ионизация

А^* + В → АВ⁺ + е^-

в) Эффект Пеннинга

А^* + В → А + В⁺ + е^-

г) Передача возбуждения

А^* + В → А + В^*

8) Образование отрицательных ионов

А + е^- → А^-

	Vi1	Vi2	Vi3	Vвозб.	Vсродства е
H	13,5	―	―	10,2	0,75
He	24,5	―	―	21,2	0,08
Ne	21,5	63,2	126,2	16,85	―

V_i1(Na) = 5,1 эВ

V_i2(Na) = 1,65*10³ эВ