Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. | |||
|
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
-
J. Khun, V. Scholtz: Nízkoteplotní plazma V – srážky v plazmatu; Aldebaran Bulletin 47/2012.
-
Y. P. Raizer: Gas Discharge Physics; Springer, 1991.
-
J. Kracík, J. B. Slavík, J. Tobiáš: Elektrické výboje; Státní nakladatelství technické literatury, Praha, 1964..