УП ФОИЭС (Учебное пособие ФОИЭС Неровный), страница 9

Эту величину энергии называют потенциалом ионизации — Ui, которую часто выражают в вольтах (точнее в электрон-вольтах). Первый потенциал ионизации – потенциал ионизации, соответствующий удалению наиболее слабо связанного электрона из нейтрального невозбужденного атома: удалению из ионизованного атома следующих электронов соответствует второй, третьей итак далее.Значения 1-го потенциала ионизации Ui некоторых атомов приведены ниже:Атом CsUi,эВ 3,9K4,3Na5,11Ca6,08Fe7,83H13,53O13,56N14,5Ar15,6F18,6Ne21,5He24,62.2.8. Термическая ионизацияНеупругие соударения частиц между собой при высоких температуре и плотности газа приводят к так называемой термической ионизации, которая возникает засчет кинетической энергии частиц. Наиболее вероятна схема электронного удара:е быстр + Аатом0+→ А + 2е медл .ион(2.26)После неупругого соударения оба электрона будут обладать малыми скоростями и вновь начнут ускоряться электрическим полем.39Ионизация холодной плазмы осуществляется весьма небольшим числом высокоскоростных электронов, соответствующих «хвосту» максвелловского распределения.

Поэтому неупругих столкновений в сварочном столбе дуги обычно значительноменьше, чем упругих.Энергия ионизации зависит от строения атома, т. е. от его места в периодической системе элементов (рис. 2.11). Потенциал ионизации U i представляет собой периодическую функцию атомного номера элемента Z и снижается с уменьшением номера группы и увеличением номера периода таблицы Менделеева. Наименьший потенциал ионизации Ui = 3,9 эВ имеют пары Cs (см. выше). Единственный валентныйэлектрон у щелочных металлов I группы слабо связан с ядром, поэтому и энергия ионизации этих металлов невелика. Наивысший потенциал Ui =24,6 эВ наблюдается усамого легкого из инертных газов — гелия Не.

Оболочка благородных газов заполнена и поэтому наиболее прочна.2.2.9. Фотоионизация.Атомы и молекулы могут возбуждаться не только при соударениях между собойили с ионами и электронами, но и путем поглощения квантов излучения. Такие кванты в дуге появляются при рекомбинации других сильно возбужденных атомов.Условие фотоионизацииhν ≥ eUi(2.27)где h = 4,13-10-15 эВ·с — постоянная Планка.Имея в виду, что частота колебанийν = c/Λ.где с — скорость света, можно определить длину волны Λi электромагнитного излучения, м, способного вызвать ионизацию атомов:Λi = he⋅с/(eUi) = 4,13·10-15·3·108/(eUi)= 12,4·10-7/(eUi), м.(2.28)Рис. 2.11. Потенциалы ионизации элементов в зависимости от их порядкового номера z в периодической системы элементов Менделеева40Чем больше потенциал ионизации элемента Ui, тем меньше требуемая Λi.

Длясварочной дуги, где Ui лежит в пределах 4-25 эВ, соответствующие длины волн находятся в ультрафиолетовой части спектра.Например, для аргонаUi = 15,7 эВ; Λi = 1,24⋅10-6/15,7 = 7,85·10-2 мкм,а для щелочных металлов Ui = 4-6 эВ; Λi = 0,2-0,3 мкм.Фотоионизация в плотной плазме, видимо, незначительна по сравнению с термической ионизацией, причем выделить их доли расчетным и опытным путем пока неудается.2.2.10. Деионизация.В любой точке стационарного разряда концентрация заряженных частиц любоготипа определяется равенством скоростей образования и потерь частиц в этой точке.Ионизация в плазме приводит к разделению зарядов, но электрическое притяжениеограничивает степень возможного разделения и плазма остается квазинейтральной.Наряду с ионизацией непрерывно происходят уравновешивающие ее процессы деионизации.

К ним относятся рекомбинация заряженных частиц в нейтральные, захватэлектронов (прилипание), дрейф проводимости и диффузионные процессы, выравнивающие концентрацию (амбиполярная диффузия).Скорость рекомбинации ионов, электронов и нейтральных частиц при их концентрации ne, ni, n определяется коэффициентом рекомбинации R по уравнениюdni/dt = dne/dt = dn/dt = - Rn3. (2.29)причем коэффициент R тем больше, чем больше плотность частиц. Он зависит такжеот типа частиц, времени их жизни и размеров ионов, от наличия близко расположенных тел (нейтральных атомов воздуха или охлаждающих стенок).Проводимость газового промежутка определяют прежде всего электроны каквысокоподвижные частицы. Захват электронов атомами (прилипание) и ионами впроцессе рекомбинации можно в некоторых случаях рассматривать как процесс обратимый, а в других — как практически необратимый процесс.Например, процесс Na+ + e ⇔ Na0 можно считать обратимым. Если же при сварке всостав покрытия или флюса вводят плавиковый шпат CaF2, то в этом случае можетпроисходить необратимый захват электрона фтором.Захват электронов с образованием тяжелых отрицательных ионов может осуществляться и другими атомами металлоидов, которые обладают довольно большимсродством к электрону (3-4 эВ).

В дуговом разряде под флюсом из галогенов могутпроисходить, например, такие процессы:F + e → F-1 + 3,94 эВ; O + e → O-1 + 3,8 эВ;Cl + e → Cl-1 + 3,7 эВ; H + e → H-1 + 0,76 эВ.Порядок энергии электронного сродства таков, что указанные процессы могутсчитаться, обратимыми. Но быстрая рекомбинация молекул из этих ионов с положительными ионами металлов (Ri велико) приводит к более интенсивной деионизацииразрядного промежутка.412.2.11. Излучение плазмыЯвление рекомбинации электрона с ионом заключается в том, что свободныйэлектрон, пролетая в поле иона, захватывается последним и переходит в связанноесостояние.

При этом освобождается энергия, равная сумме кинетической энергиисвободного электрона и его энергии связи. Например, если электрон с энергией εeзахватывается протоном и в результате образуется нормальный атом водорода, тополный выигрыш энергии составит εe + 13,6 эВ (рис. 2.12).Заштрихованная область на диаграмме энергий соответствует свободнымэлектронам.

Кинетическая энергия их отсчитывается от нулевой линии вверх. Нормальное состояние электрона, связанного в атоме водорода, соответствует отрицательной энергии 13,6 эВ.Напомним, что за нулевой уровень энергии условно принимается состояние,при котором связь между ядром и электроном разорвана и эти частицы разведенына очень большое расстояние с нулевой кинетической энергией.Освобождающаяся энергия может быть излучена в виде фотона с энергией εe + 13,6эВ.

Возможен также ступенчатый переход, при котором атом сначала оказывается в одномиз доступных возбужденных состояний, а затем перескакивает на нормальный уровень. Этоизображено на правой стороне диаграммы.Тормозному излучению соответствует изменение энергетического состояния электрона в заштрихованной области (переход между точками а и b).Рис. 2.12. Схематическое изображеРис. 2.13. Сплошной спектр излученияние возможных энергетических перестолба дуги в сравнении с солнечнымходов при рекомбинации электрона испектром (Е.

Ролласон, Е. Ван-Соммерн)протона (диаграмма энергий)Так как свободные электроны обладают непрерывным набором энергий, то фотоны,излучаемые в процессе рекомбинации, образуют сплошной спектр, на который накладывается линейчатый спектр возбужденных атомов, образующихся при ступенчатых переходах.Для сварочных дуг, имеющих Te ≈ Ti ≤ 104 К, излучение рекомбинации преобладаетнад тормозным излучением электронов и имеется преимущественно сплошной спектр смаксимумом в области видимого и ультрафиолетового диапазонов (0,3…1,0 мкм). Спектрсварочной дуги в парах металлов приближается к спектру солнечного излучения с небольшим сдвигом от последнего в сторону длинных волн (рис. 2.13).42Сплошной спектр интегрально дает наибольшую часть излучения дуги.

Однако интенсивность отдельных линий линейчатого спектра на фоне сплошного спектра гораздо выше.По частоте (длине волны) и интенсивности определенных спектральных линий, излучаемыхв разных зонах дугового разряда, можно судить о концентрации возбужденных атомов и,следовательно, о температуре зоны. Сравнивания интенсивности спектральных линий, судят об электронной температуре плазмы и степени приближения ее к термодинамическомуравновесию.

Важные сведения о плотности электронов в плазме получают, измеряя уширение спектральных линий.2.3. Явления переноса в плазмеНаправленное движение ионов и электронов в плазме может быть вызвано двумяпричинами: электрическим полем, создающим ток, или же разницей в концентрации частицмежду различными участками плазмы. Кроме того, в неравномерно нагретой плазме обменчастицами между областями с различной температурой создает механизм плазменной теплопроводности, благодаря которому через плазму идет поток тепловой энергии. Перечисленные процессы объединяются общим названием — явление переноса.

Они обеспечивают переход от неравновесного к равновесному состоянию.2.3.1. ЭлектропроводностьВажнейшим свойством плазмы является способность переносить ток под действием электрического поля. При наложении электрического поля возникают силы, заставляющие электроны дрейфовать – двигаться вдоль поля; на хаотическое тепловое движение накладывается упорядоченное движение со скоростью дрейфа. Пользуясь законами классической физики, можно оценить ее порядок по сравнению с тепловой скоростью.Ток создается потоком электронов. В простейшем случае, когда величина токапостоянна, должно устанавливаться равновесие между силой, с которой действует наэлектроны электрическое поле, и силой торможения, обусловленной столкновениямимежду электронами и ионами.