Возбуждение и тушение электронных состояний

При столкновении атома, находящегося в некотором состоянии k, с электроном от может перейти в другое, более высокое возбужденное состояние n

. (8.21) Вероятность перехода k  n:

, (8.22) Обратный процесс безызлучательного перехода при столкновении с электроном называют тушением или дезактивацией. Это процесс беспороговый. Скорость обратного процесса можно найти из принципа детального равновесия

. (8.23)

Сечение процесса резко растет после достижения порога реакции, а затем медленно спадает. При больших энергиях ( >> _kn) для оптически разрешенных переходов сечение аппроксимируется выражением

, (8.24) тогда как для запрещенных переходов зависимость имеет вид

, (8.25) В низкотемпературной плазме температура электронов гораздо меньше потенциалов возбуждения, и только хвосты функции распределения электронов участвуют в процессе возбуждения атомов. Макроскопическая скорость реакции определяется как видом функции распределения, так и видом зависимости сечения возбуждения вблизи от порога от энергии. Согласно теории, в борновском приближении на пороге ( ~ _kn) зависимость от энергии имеет вид

. (8.26) Экспериментальные данные, однако, свидетельствуют, что эта зависимость скорее является линейно возрастающей

. (8.27) Для оценок обычно пользуются линейной аппроксимацией. Для атома водорода в состоянии 2¹S _kn =10,2 эВ и а = 2,510^-17 см²/эВ, а для атома гелия в состоянии 2¹S _kn =20,6 эВ и а = 4,510^-18 см²/эВ [2, С.67].

Все сечения возбуждения могут быть унифицированы, если ввести безразмерную энергию электрона, отсчитываемую от порога возбуждения

. (8.28) Тогда в приближении Бете-Борна, применимом для диполь-дипольных переходов, сечение имеет вид

, (8.29) где f_kn – сила осциллятора, а с – некоторый численный множитель [3]. Используя формулу Крамерса (7.54), получаем зависимость сечения возбуждения от квантовых чисел верхнего и нижнего уровней

. (8.30) Отсюда также следует, что зависимость сечения от разности энергий уровней очень сильная

(8.31) и наиболее вероятны столкновительные переходы между близколежащими уровнями. Ранее мы нашли (7.59), что излучательное время быстро растет с номером уровня (~ k⁵). В совокупности с (8.30) это означает, что время жизни нижних состояний определяется, главным образом, излучательным распадом, тогда как заселенность верхних состояний определяется, в основном, столкновительными процессами. Именно поэтому при столкновениях атома со свободными электронами говорят о диффузии в энергетическом пространстве связанного электрона, находящегося на ридберговских уровнях.

3. Биберман Л.М., Воробьев В.С., Якубов И.Т. Кинетика неравновесной низкотемпературной плазмы. – М.: Наука (1982)