1626435917-d26f9677b92985e7688f24b5e74711ce (844351), страница 51
Текст из файла (страница 51)
Ион.ионная рекомбинации рассматри- вается в гл. 12, а сведения о длине свободного пробега и по- терях энергии читатель может найти в обзоре Далгарпо (!). А. СТОЛКНОВЕНИЯ ПРИ НИЗКИХ ЭНЕРГИЯХ (ОТ ТЕПЛОВОЙ ДО боо ЭВ) й 1. Классификация неупругих столкновений При анализе даже сравнительно простого столкновения атомарного иона А' с покоящимся атомом В кажется удивительным разнообразие возможных типов пеупругих взаимодействий. Некоторые нз таких вариантов представлены в табл.
6.1.1. В первой из возможных реакций передается только внутренняя энергия возбуждения. В других случаях возможен вылет свободного электрона либо из налетающей частицы А+ (срыв), либо из частицы-мишени В (ионизация). Возможен также переход одного или нескольких электронов от одной из частиц к другой с захватом электронов в связанное состояние (перезарядка). Могут осуществляться и комбинации этих типов взаимодействий. Поэтому очевидна необходимость в какой-то системе обозначения взаимодействия. Используемая в табл. 6.1.1 система цифровых обозначений предложена Хастедом (2, 3). В этой системе зарядовые состояния реагнруьощих частиц указываются целыми числами в скобках слева, а зарядовые состояния продуктов реанции — справя от косой черты. Звездочкой обозначаются возбужденные состояния, а вылет свободного электрона указывается символом е.
Неудовлетворительность словесной классификации и целесообразность системы цифровых обозначений очевидны из следующего. В том случае, когда обе сталкивающиеся частицы до столкновения находятся в движении или когда процесс рассматривается в системе центра масс, трудно провести различие между налетающей частицей и частицеймишепью. Поэтому, ьшпример, четвертую реакцию табл.
6.!.! пришлось бы назвать либо ионизацией, если очи~ать атом В мишенью, либо реакцией срыва, если считать В налетяюцьей частицей. Чтобы однозначно указать, из какой частицы вылетает электрон, нужно пользоваться системой обозначений, подобной системе, предложенной Хястедом, или записывать уравнения реакции, как сделано в табл. 6.!.1. Если одна из сталкивающихся частиц — молекула, то возможны еще и другие реакции. В этом случае может происходить диссоциация, а также ротационное или вибрационное возбуждение.
Кроме того, тяжелая частица может перейти из одной стал- ИЕУПРУГИЕ СТОЛКИОБЕЬ!ИЯ ТЯЖГЛЫХ ЧАСТИЦ 271 Тпблвиа бпй/ Классификация и система цифровых обозначений некоторых нсунругих взаимодействий, возможных прп столкновении. атомного иона А ь с атомом В ') ') Гтолюювенаа, пркволзщве к кйиеяеплю зараловосо соетрявня райетающей частвпы, обычно называются «столквовенкамн с ббреззрзйкой сюла относвтся йареааряакв н реанпвя срьюа (во не обычная нонпзапкв). ') Согласно прннзтбй злссь системе ппфровых обозначеннй, сечение реакпнн НРМ) обозначается как Ь.д у кивающейся системы в другую или обе сталкивающиеся системы могут соединиться в одну стабильную частицу. Реакции двух последних типов (которые по существу являются химическими) называются ионна-льолекулярнисжи реакциялт.
Они рассматриваются в З 3 настоящей главы н в гл. 9, $ 6, 9. При анализе процесса перезарядки удобно различать симметричшьье резонансные реакции, такие, как А' +АмА+А!, (6.2.1) н асимметричные реакции (реакции между различными частицами), такие, как А!+В-мА+В'. (6.2.2) Характер зависимости эффективного сечения этих двух типов реакций от энергии обычйо весьма неодинаков; причину такого различия можно понять в рамках яадиабатической гипотезыа) Мессн, ГЛАВА Е а.
Адиабатическая гипотеза; симметричная и асимметричная перезарядка. Рассмотрим реакцию перезарядки типа (6.2.2) и предположим, что разность между энергиями ионизацин атомов А н В равна ЛЕ. Величина ЛЕ, предстанляюгг)ая изменение энергии при электронном переходе (6.2.2), называется двг/гвктати энергии реакции. Воспользовавшись принципом соответствия, Мессн (4, 5) показал, что, если только ЛЕ пе слишком мало, в общем случае прн самгях малых относительных скоростях сближения сечение перезарядки будет очень незначительным. При условии, что скорость сближения двух частнп мала по сравнению со скоростями орбитальных электронов, взаимодействие между А' н В будет изменяться медленно и будет успевать происходить перестройка состояния электронов в соответствии с возмущением, вызванным взаимодействием, без электронных переходов.
В этом случае столкновение будет почти адиабатическим. Месси рассматривал это явление с точки зрения классической теории, как вынужденные колебания осциллятора с собственной частотой т под действием воззгущающей силы. Предположим, что зависимость возмущения от времени выражается некоторой функцией Е(т), н представим эту функцию в виде интеграла Фурье.
Ощутггмнйг вклад в возбуждение вынужденных колебаний могут дать только компоненты с частотой, близкой к и. Поэтому продолжительность столкновения т не должна быть большой по сравнению с одним периодом собственного колебания осцнллятора. Возбуждение будет слабым при тт»!. Если / — радиус взаимодействия частиц А" и В, а о — -их относптелы|ая скорость сближения, то т=//о и условием слабого возбуждения будет неравенство /А/о»1. При кваптовомехапическом подходе частоте и соответствует величина ЛЕ//г, где Ь вЂ” постоянная Планка. Тогда вероятность электронного перехода при перезарядке будет малой, если / — „~ ))!. (6.2.3) Для каждой пары атомных частиц вели пшы ! и ЛЕ являются задшшыми, хотя параметр аднабатичности / и ие может быть точно определен. Из сказанного выше следует, что если о соответствует адиабатической области кинетической энергии, т.
с. если о<<!ЛЕ//г, го эффективное сечение будет малым. При увеличении о до значения о*ж /— ЛЕ а столкновение перестает быть адиабатическим, так как время столкновения становится сравнимым со временем перехода нехпРГГие столкновения тяжелых ЧАопгц й/ЛЕ. В этом случае сечение перезаряд у я ки же нельзя считать малым. ажно о ма. , М жидать, что при энергии столкновения, отвесловию (6.2А), сечение переззрядкн достигнет свое максимального значения которое може энергия может быть выражена как Т = —.. Т"=36(ЛЕ)игл/е эв, (6.2.5) (маис, ) -— 'т г ей гд дф г е е ект энергии вы г ЛЕ нгжается в зв, т — масса налетаю ц частицы в массовых единицах, , / — радиус взаимодействия в еди- ницах боровского радиуса (не=0,53.10 ' см).
Таким образом, в общих чертах мы можем предсказать, что сечение нерезонпнсной перезарядкг д олжпо быть очень малым при низких энергиях взаим х взаимодействия, достигать максимума при й 6, „а затем ыст о энергии, определяемой формулой (6.2., ) „ыс о ть с величепием энергии. Действительно, при увеличении кинетической энергии сечение должно в становится слишком ко- шаться, так как время взаимодействия оппого пе схода. В адиа а- ротким для осуществления злектрош тисгеской области сечение грубо описывается формулой ==К ') Ав""'*', (6.2.6) гпг/ег == где К вЂ” константа, зази , зависящая от типа рассматриваемой нере- зопапсной реакции , . (31. Однако, как указал Далгарно (6), экстрале 6.2.6 на поляцня экспериментальных данных по формуле ( ..
) область тепловьгх зие г е„гнй может привести к ошибочным резуль- татам. Дело пе только в . Д . только в том, что перезопапсные процессы зо- б . ффективпы при тепловых энергиях, но и в том, что сечение перезарядки для зпдотермических реакций р р ЛЕ,, 7 — кинетическая энергия относительного двит асс. Это жепия, т. е. кинетическая энергия в системе цеп ра м справедливо, если в в реакции (6.2.2) энергия ионизации частицы А меньше энергии иоппзации частггцьг В. П и Агет/тггчнозг резонансе сечение перезарядки атомных РИСАГ ионов должно монотонно тапио возрастать с уменьшением энерг взаимодействия. .
При тепловых энергиях сечение такой реакции 1Оы 'О о пачення '), существенно превосходящего газо- кшгетяческае, которое составляет прим р име но,т ° см', пе еза ядки молеку- померпостях резонансной, симметричной п р. р лярпых напав ХУ+ в реакции Х!' + Х!' — и Х)'-+ Х!' (6.2.7) при низких энергиях изв вестпо мепьипе, чем об аналогичных зако- номерностях для атомг омпых ионов, по сечение, вероятно, остается ') Типичные значении применены Далгарпо (Т).
)З и Аса~ даниела 274 275 ГЛАВА Я неупгугие стОлкнОВения тяжелых чАстиц конечным при энергии, стремящсися к О. Обычные экспериментальные методы не могут быть использованы для измерения сечений перезарядки ионов в газах при энергиях, меньших нескольких электронвольт. Но некоторые данные можно получить из измерений скорости, с которой наны дрейфуют через газы под влиянием внешнего электрического поля (см. гл. 9, 9 3).
Интерпретация данных по подвижности ионов позволяет заключить, что при тепловых энергиях сечение перезарядки Ое в Оя и !А]те в ]х], составляет примерно 1О " сж' [8]. Эти сечения могут частично определяться резонансной перезарядкой. Обзор теории перезопанспой перезарядки можно найти у Месси и Бархопа [5], Бейтса и Далгарно [9] и Хастеда [2, 3]. Полученные экспериментальные данные были довольно успешно интерпретированы па основе формулы (6.2.5), причем в ряде случаев среднее значение произведения параметра адиабатичности ! На число передаваемых электронов оказывается равным приблизительно 7 А [10 †!3] Однако для многих других пар сталкивающихся частиц предсказываемая формулой (6.2.5) энергия, отвечающая максимальному сечению, расходится с экспериментально наблюдаемой.
В некоторых случаях этн расхождения мокнут быть приписаны тому, что реагирующие частицы или продукты реакции находятся в каких-то возбужденных состояниях, так что истинное значение ЛЕ то шо не известно. Другой причиной расхождений является зависимость дефекта энергии ЛЕ от расстояния между сталкивающимися частицами. Бейтс и Месси [14] рассматривали эту проблему, пользуясь методом пересечения кривых '), который применим в том случае, когда ЛЕ стремится к 0 прн некотором расстоянии между частицами во время сближения. Но совсем недавно Бейте [!5] показал, что этот метод основан на сомнительных предположениях, и полученные с его помощью количественные результаты являются спорными.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
