Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 4 – vyšlo 25. ledna, ročník 11 (2013) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

4/2013

Nízkoteplotní plazma VI – srážky v plazmatu II

Josef Khun, Vladimír Scholtz

V předešlém dílu (viz AB 47/2012) jsme se zabývali srážkami volných elektronůElektron – první objevená elementární částice. Je stabilní. Hmotnost má 9,1×10⁻³¹ kg a elektrický náboj 1,6×10⁻¹⁹ C. Elektron objevil sir Joseph John Thomson v roce 1897. Existenci antičástice k elektronu (pozitron) teoreticky předpověděl Paul Dirac v roce 1928 a objevil Carl Anderson v roce 1932. a fotonůFoton – základní kvantum energie elektromagnetického záření, polní částice elektromagnetické interakce. Má nulovou klidovou hmotnost a nemá elektrický náboj. Jeho energie a hybnost jsou přímo úměrné frekvenci záření (E = ħω, p = E/c). Stav fotonu zahrnuje také polarizaci, protože jde o příčné vlnění. Kvantování energie poprvé zavedl Max Planck při pokusech o vysvětlení záření černého tělesa. Albert Einstein dal těmto kvantům reálný význam v roce 1905 při vysvětlení fotoelektrického jevu. Samotný název foton poprvé pro tuto částici použil až americký fyzikální chemik Gilbert Lewis v dopise časopisu Nature z roku 1926. s neutrálními částicemi (atomyAtom – základní strukturní jednotka hmoty, jádro je složeno z neutronů a protonů, obaly z elektronů. Rozměry atomu jsou 10⁻¹⁰ m, rozměry jádra 10⁻¹⁴ m, hustota atomu je 10¹¹ g·cm⁻³, hustota jádra 10¹⁴ g·cm⁻³. Elektrony nejsou v atomárnáím obalu lokalizovány, můžeme určit jen pravděpodobnosti jejich výskytu v tzv. orbitalech. a molekulami) v základním stavu. Z těchto srážek mohly kromě neutrálních částic, volných elektronů a fotonů vystupovat i excitované částice, kladné či záporné ionty (po ionizaci či záchytu elektronu) a po disociaci molekul také menší molekuly a atomy, atomové a molekulové ionty nebo radikály v základním nebo excitovaném stavu. V tomto díle se zaměříme na srážky elektronů a fotonů s částicemi, které se nenacházejí v základním stavu (tj. částice excitované, či ionizované).

Plazma – kvazineutrální soubor nabitých a neutrálních částic, který vykazuje kolektivní chování. Lidsky to znamená, že se v dané látce nachází elektricky nabité částice. Kladné a záporné náboje se navzájem kompenzují, takže celek je elektricky neutrální. Částice jsou schopné reagovat na elektrická a magne­tická pole jako celek. Plazma vzniká odtržením elektronů z elektric­ké­ho obalu atomárního plynu nebo ionizací molekul. S plazmatem se můžeme setkat v elektrických výbojích (blesky, jiskry, zářivky), v polárních zářích, ve hvězdách, ve slunečním větru a v mlhovinách. Pro plazma jsou typické silně nelineární jevy a nestability. Přes 99 % atomární látky ve vesmíru je v plazmatickém skupenství. Termální plazma – plazma, v němž je vyrovnána teplota všech komponent, tj. eletrony, ionty i vícenásobné ionty mají stejnou teplotu. Střední volná dráha – průměrná vzdálenost mezi srážkami. V plazmatu, kde dochází jen k odklonu nabité částice z původního směru vlivem elektrických sil, chápeme střední volnou dráhu jako takovou vzdálenost, na které se částice v průměru odchýlí od původního směru o 90°.

Srážka elektronu s excitovanou částicí

Deexcitace

V případě, že do excitované částice narazí pomalý elektron, může dojít k deexcitaci; energie uvolněná z deexcitované částice se přemění v kinetickou energii narážejícího elektronu a (z důvodu zachování hybnosti) i na kinetickou energii částice. Částice tedy vyjde ze srážky mírně „ohřátá“ a v základním stavu (deexcitovaná). Narážející elektron při srážce zvýšil svoji kinetickou energii. Reakci lze zapsat:

X* + e⁻ → X + e⁻.

V tomto případě se jedná o tzv. superelastickou kolizi, tj. celková kinetická energie částic po srážce je větší než celková kinetická energie před srážkou.

Postupná excitace

V případě, že energie narážejícího elektronu je rovna alespoň excitační energii dalšího elektronu v již jednou excitované částici, může dojít k dalšímu zvýšení energie této excitované částice, která přechází do tzv. druhého excitovaného stavu. Reakci lze zapsat:

X* + e⁻ → X** + e⁻.

Postupná ionizace

V případě, že energie narážejícího elektronu je rovna alespoň energii potřebné pro ionizaci excitované částice (tj. rozdílu ionizační a excitační energie), může dojít k ionizaci již excitované částice a lze ji zapsat:

X* + e⁻ → X⁺ + e⁻ + e⁻.

Postupná ionizace se uplatňuje ve velké míře ve vysokoteplotním plazmatu, kde mohou být částice před druhou srážkou tepelně excitovány srážkou s jinou částicí.

Obr. 1.: Přehled procesů při srážce elektronu s excitovanou částicí.

Srážka elektronu s kladným iontem

Rekombinace

Při srážce může být elektron zakomponován do elektronového obalu kladného iontu, kde elektron schází. Dochází k zániku kladného iontu a volného elektronu a vzniku neutrálního nebo excitovaného atomu či molekuly za současného uvolnění přebytečné energie. Podle toho, jak je využita energie uvolněná při rekombinaci, může dojít k následujícím rekombinačním mechanizmům:

Rekombinační energie může být vyzářena ve formě fotonu (zářivá rekombinace) nebo přeměněna a odvedena ve formě energie tepelné. Rekombinace může probíhat přímo:

X⁺ + e⁻ → X (+ hν),

nebo postupně, přes excitovaný stav částice:

X⁺ + e⁻ → X* (+ hν)→ X + hν.

Obecně lze říci, že zánik elektricky nabitých částic se v nízkoteplotních elektrických výbojích (zdrojích nízkoteplotního plazmatu) odehrává převážně na elektrodách a stěnách výbojové trubice a popsaný mechanizmus rekombinace tedy není z hlediska četnosti podstatný. V termálním plazmatuTermální plazma – plazma, v němž je vyrovnána teplota všech komponent, tj. eletrony, ionty i vícenásobné ionty mají stejnou teplotu. představuje rekombinace, přímo v jeho objemu, jeden ze základních a častých mechanizmů vzájemné interakce částic plazmatu. V tomto typu plazmatu mají srážky elektronů s těžkými nabitými částicemi mnohem větší pravděpodobnost než v plazmatu nízkoteplotním.

V atomárních plynech může nastat tzv. tříčásticová rekombinace atomárního iontu s elektronem za přítomnosti druhého elektronu. Rekombinační proces v tomto případě začíná záchytem elektronu na kladný atomární iont a vytvořením vysoce excitovaného a nestabilního atomu. Tento excitovaný atom potom ztrácí postupně energii při srážkách s elektrony. Uvedený proces je opačný k procesu postupné ionizace, který je zmíněn výše:

e⁻ + e⁻ + A⁺ → A* + e⁻.

V tomto případě se uvolněná energie přemění v kinetickou energii druhého elektronu nebo také k excitaci atomu. Tento proces se uplatňuje zejména v termálním plazmatu, kde je koncentrace molekulárních iontů nízká z důvodu tepelné disociace. V nízkoteplotním plazmatu je rychlejší a dominantnější proces disociativní elektron-iontové rekombinace popsaný níže.

Excitace a vícenásobná ionizace

Pokud je energie elektronu dostatečně velká, může dojít k excitaci či další ionizaci kladného iontu:

X⁺ + e⁻ → X⁺* + e⁻,

X⁺ + e⁻ → X²⁺ + e⁻ + e⁻.

Obecně může dojít k vícenásobné ionizaci i v nízkoteplotním plazmatu za atmosférického tlaku, prakticky je to však jev zanedbatelný. Hustota plynu je příliš velká na to, aby měl elektron dostatečnou volnou dráhu pro získání potřebné kinetické energie a také pravděpodobnost jeho případné srážky s již ionizovanou částicí je, při podílu ionizovaných částic k neutrálním 1:10⁻⁶ až 1:10⁻⁹, minimální.

Disociace

V případě srážky elektronu s kladným molekulárním iontem může dojít k rozštěpení molekuly:

AB⁺ + e⁻ → A⁺ + B + e⁻.

Při srážce může dojít i k rekombinaciRekombinace – opětovný návrat elektronu do atomárního obalu, kde zaplní místo po dříve vytrženém elektronu. elektronu s molekulárním iontem. V tomto případě se může k disociaci využít i energie uvolněná při rekombinaci (přes excitovaný stav a rezonanční procesy) a tudíž může mít elektron i nižší kinetickou energii než v předchozím případě. Zbylá energie se promění v kinetickou energii nebo excitaci vzniklých částic:

AB⁺ + e⁻ → A + B,

AB⁺ + e⁻ → A* + B.

Tento proces se nazývá také disociativní elektron-iontová rekombinaceRekombinace – opětovný návrat elektronu do atomárního obalu, kde zaplní místo po dříve vytrženém elektronu. a je uváděn jako nejrychlejší proces neutralizace (rekombinace) elektronů v molekulárních plynech v objemu nízkoteplotního plazmatu. Tento proces může nastat také v plynech atomárních v případě výskytu molekulárních iontů.

Srážka elektronu se záporným iontem

Tento proces se uplatňuje zejména v případě vysokého stupně ionizace plazmatu, které je vytvořené v přítomnosti elektronegativního plynu, kde je vysoká pravděpodobnost jejich vzájemné srážky. Při této srážce může dojít prakticky pouze k jediné variantě, kdy narážející elektron vyrazí přebývající elektron ze záporného iontu. Z reakce vystupuje neutrální atom a dva volné elektrony:

X⁻ + e⁻ → X + e⁻ + e⁻.

V případě nízkoteplotního plazmatu je záchyt dalšího elektronu na záporný iont a vytvoření vícenásobného (vícemocného) záporného iontu možný, ale velice málo pravděpodobný proces.

Obr. 2.: Přehled procesů při srážce elektronu s kladným nebo záporným iontem.

Srážky fotonu s excitovanou částicí nebo iontem

Schémata srážek fotonu s excitovanou částicí nebo iontem jsou v zásadě podobná schématům popsaných srážek s elektrony, samozřejmě s výjimkou rekombinací. Věříme, že by si je čtenář byl schopen domyslet sám, pro úplnost je však stručně uvedeme.

Deexcitace

V případě, že do excitované částice narazí foton s energií rovnou právě excitační energii daného excitovaného stavu (rozdílu energií po a před excitací), může dojít k tzv. stimulaci nebo-li stimulované emisi (známo z laseruLASER – Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, zesílení světla pomocí stimulované emise záření. Roku 1958 ukázal Charles Hard Townes spolu s Arthurem Leonardem Schawlowem, že je možné zkonstruovat podobné zařízení jako již existující MASER (pracuje v mikrovlnné oblasti) také pro světlo. První laser zkonstruoval Theodore Harold Maiman v roce 1960. Aktivním prostředím byly ionty chrómu v syntetickém rubínovém krystalu.) a následné deexcitaci. Původní foton zůstane beze změny a energie deexcitované částice se vyzáří jako nový foton koherentní s fotonem narážejícím. Tento jev není v nízkoteplotním plazmatu obvykle příliš běžný, lze jej však využít v plynových LASERech ke stimulované emisi. Reakci lze zapsat:

X* + hν → X + hν + hν.

Postupná excitace

V případě, že energie dopadajícího fotonu je rovna excitační energii dalšího elektronu v již jednou excitované částici, může dojít k absorpci fotonu a dalšímu zvýšení energie již excitované částice, která přechází do tzv. druhého excitovaného stavu. Reakci lze zapsat:

X* + hν → X**.

Postupná ionizace

V případě, že energie dopadajícího fotonu je rovna alespoň energii potřebné pro ionizaci již excitované částice (tj. rozdílu ionizační a excitační energie), může dojít k absorpci fotonu. Část jeho energie se spotřebuje na uvolnění elektronu a zbytek se přemění v kinetickou energii tohoto elektronu. Rovnici lze zapsat:

X* + hν → X⁺ + e⁻.

Excitace a vícenásobná ionizace kladného iontu

Pokud je energie fotonu rovna některé z excitačních energií nebo větší než ionizační energie kladného iontu, může dojít k jeho excitaci nebo ionizaci:

X⁺ + hν → X⁺*,

X⁺ + hν → X²⁺ + e⁻.

Disociace iontu

V případě srážky fotonu s kladným nebo záporným molekulárním iontem může dojít k rozštěpení molekuly:

AB⁺ + hν → A⁺ + B,

AB⁻ + hν → A⁻ + B.

Obr. 3.: Přehled procesů při srážce fotonu s excitovanou částicí nebo s iontem.

Odkazy