Элементарные процессы в плазме

лекция 3

Элементарные процессы в плазме

1. Типы элементарных процессов в плазме

В не слишком плотной плазме передача импульса происходит в основном при двойных (парных) взаимодействиях, которые можно описывать как столкновения. Вероятность взаимодействия характеризуется эффективным сечением , имеющим размерность площади. Коэффициент взаимного трения  выражается через эффективное сечение как:

                                      ,                                             (1)
где  – относительная скорость;

 – приведённая масса взаимодействующих частиц;

 – масса иона;

 – масса электрона;

угловые скобки означают усреднение по скоростям теплового движения.

Рекомендуемые материалы

Так как , то эффективные частоты передачи импульса определяются соотношениями:

                      ,   .                             (2)

Тогда время передачи импульса , записывается в виде:

                                 .                                        (3)

Если в плазме кроме заряженных присутствуют и нейтральные частицы, то время передачи импульса находится в общем случае из соотношения:

                                   ,                                          (4)
где индекс  нумерует все частицы, присутствующие в плазме.

Отметим, что расчёт эффективных сечений  и относительных скоростей  представляет отдельную задачу в физике плазмы.

Рассмотрим некоторые типы элементарных процессов в плазме.

а) Соударение электронов с атомами или молекулами:

-   упругое соударение электрона с атомом или молекулой:

                                       ;

-   неупругие переходы между электронными состояниями атома или молекулы:

                                      ;

-   ионизация атома или молекулы электронным ударом:

                                     ;

-   переходы между вращательными уровнями молекулы:

                              ;

-   переходы между колебательными уровнями молекулы:

                              ;

-   диссоциативное прилипание электрона к молекуле:

                                   ;

-   диссоциативная рекомбинация:

                                   ;

-   диссоциация молекулы электронным ударом:

                                  ;

-   прилипание электрона к атому при тройных столкновениях:

                                 ;

-   рекомбинация электрона и иона при тройных столкновениях:

                                .

б) Соударение атомов и молекул:

-   упругое соударение атомов и молекул:

                                      ;

-   возбуждение электронных уровней при столкновениях:

                                    ;

-   ионизация при столкновениях:

                                 ;

-   переходы между колебательными или вращательными уровнями молекул:

                             ,

                             ;

-   тушение электронно-возбуждённого состояния при столкновениях:

                                ;

-   ассоциативная ионизация:

                                 ;

-   процесс Пенинга:

                                ;

-   передача возбуждения:

                                   
и целый ряд других процессов (например, скиновый обмен и изменение состояния сверхтонкой структуры; переходы между состояниями тонкой структуры и другие).

в) Соударения с участием ионов:

-   резонансная перезарядка:

                                  ;

-   нерезонансная перезарядка:

                                  ;

-   взаимная нейтрализация ионов:

                                 ;

-   разрушение отрицательного иона при взаимодействии с атомом:

                                   ;

-   ион-молекулярные реакции:

                                  ;

-   превращение атомных ионов в молекулярные при тройных соударениях:

                             ;

-   ион-ионная рекомбинация при тройных соударениях:

                           .

2. Кулоновские столкновения

Взаимодействие заряженных частиц осуществляется посредством электростатических кулоновских сил. Величина передаваемого импульса определяется предельным параметром , то есть расстоянием от одной частицы до невозмущённой траектории другой. Сечение , усреднённое по квадрату передаваемого импульса, определяется соотношением:

                                    ,                                           (5)
где  – расстояние ближнего взаимодействия.

Вместе с этой лекцией читают "Характер и обработка КВД в неоднородных пластах".

Расстояние ближнего взаимодействия – это расстояние, на котором потенциальная энергия взаимодействия равна по модулю величине удвоенной кинетической энергии относительного движения.

Величину  называют кулоновским логарифмом, причем . Значение  принимают равным длине экранирования (дебаевской длине), так как на расстояниях, превосходящих её, кулоновское взаимодействие снимается электростатическим экранированием. За величину  берётся большая из двух величин: расстояние ближнего взаимодействия  или квантовомеханическая длина волны:

                                          .

Проводимость полностью ионизованной плазмы определяется кулоновским сечением рассеяния электрона на ионе. Для этого случая:

                                   ,                                          (6)
где  – масса электрона;                   
 – скорость электронов по отношению к ионам.

Подстановка этого значения в (5) даёт значение сечения , которое позволяет рассчитать эффективные частоты, время передачи импульса и проводимость плазмы.