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.