А́ТОМНЫЕ СТОЛКНОВЕ́НИЯ
-
Рубрика: Физика
-
-
Скопировать библиографическую ссылку:
А́ТОМНЫЕ СТОЛКНОВЕ́НИЯ, элементарные акты взаимодействия атомных частиц (атомов, молекул, электронов, ионов) друг с другом или с фотонами при соударениях. А. с. делятся на упругие и неупругие. При упругих столкновениях суммарная кинетич. энергия сталкивающихся частиц не меняется, а лишь перераспределяется между ними и изменяются направления их движения. В неупругих столкновениях меняется внутр. энергия сталкивающихся атомных частиц (они переходят на др. уровни энергии) и соответственно меняется их полная кинетич. энергия. При этом может измениться либо электронное состояние атома, либо колебательное и/или вращательное состояния молекулы.
А. с. – акты рассеяния на атомных частицах – влияют на характер перемещения частиц в газе и плазме, особенно если рассеяние происходит на большие углы. Именно упругими столкновениями определяются переноса процессы в газах. Коэффициенты диффузии (перенос частиц), вязкости (перенос импульса), теплопроводности (перенос энергии) выражаются через эффективное сечение рассеяния атомных частиц. Аналогично, подвижность ионов и электронов связана с сечениями упругого рассеяния иона и электрона на атоме или молекуле газа. Сечение упругого рассеяния частиц при тепловых энергиях называется газокинетическим сечением; оно имеет величину порядка 10–15 см2 и определяет длину свободного пробега частицы в среде. Все характеристики переноса определяются т. н. транспортным сечением, в котором усреднённым образом учитываются вклады рассеяния на большие и малые углы.
Процессы неупругих А. с. в газе или в слабоионизованной плазме очень разнообразны, их перечень приведён в таблице. Типы атомов, участвующих в столкновительных процессах и входящих в состав молекул, условно обозначены буквами $\ce{A, B}$ и $\ce{C; e}$ – электрон, $\hbar$ – постоянная Планка, $ω$ – круговая частота излучения; звёздочкой обозначены возбуждённые состояния атомов, $ν, ν′, J, J'$ – колебательные и вращательные квантовые числа начального и конечного состояний.
Неупругие процессы соударения атомных частиц и фотонов
| Тип атомного столкновения | Схема процесса | |
| 1. | Ионизация при столкновении атомов и молекул | $\ce{A + B → A + B^{+} + e}$ |
| 2. | Переход между электронными состояниями | $\ce{A + B ⇄ A + B^{\ast}}$ $\ce{e + B ⇄ e + B^{\ast}}$ |
| 3. | Переход между колебательными или вращательными состояниями молекул | $\ce{AB(ν) + C → AB(ν') + C}$ $\ce{e +AB(ν)→ e +AB(ν')}$ $\ce{AB(\it J) +C→ AB(\it J') +C}$ $\ce{e +AB(\it J)→e + AB(\it J')}$ |
| 4. | Химические реакции | $\ce{A +BC⇄AB +C}$ $\ce{A +BC⇄A +B +C}$ |
| 5. | Тушение электронного возбуждения | $\ce{B^{\ast} +AC(ν) → B + AC(ν')}$ |
| 6. | Передача возбуждения | $\ce{A + B^{\ast}→A^{\ast} + B}$ |
| 7. | Спиновый обмен (при сохранении проекции полного спина атомов изменяется проекция каждого из них) | |
| 8. | Деполяризация атома (изменяется направление орбитального момента одного из сталкивающихся атомов) | |
| 9. | Переходы между состояниями тонкой и сверхтонкой структуры одной из сталкивающихся частиц | |
| 10. | Ионизация атома или молекулы электронным ударом | $\ce{e + A→2e + A^{+}}$ |
| 11. | Диссоциация молекулы электронным ударом | $\ce{e + AB→ e + A + B}$ |
| 12. | Рекомбинация при тройных соударениях | $\ce{e +A^{+} + B(e)→A + B(e)}$ $\ce{A^- + B^+ + C→A +B + C}$ |
| 13. | Диссоциативная рекомбинация | $\ce{e +AB^{+}→A + B}$ |
| 14. | Диссоциативное прилипание электрона к молекуле | $\ce{e +AB→A^{-} + B}$ |
| 15. | Прилипание электрона к молекуле при тройных соударениях | $\ce{e +A + B→A^{-} + B}$ |
| 16. | Ассоциативная ионизация | $\ce{A +B→AB^{+} +e}$ |
| 17. | Пеннинга эффект (атом А* находится в метастабильном состоянии, причём его энергия возбуждения превышает энергию ионизации атома В) | $\ce{A^{\ast} +B→A + B^{+} +e}$ |
| 18. | Взаимная нейтрализация ионов | $\ce{A^{-} +B^{+}→A +B}$ |
| 19. | Перезарядка ионов | $\ce{A +B^{+}→A^{+} +B}$ |
| 20. | Ион-молекулярные реакции | $\ce{A^{+} +BC→AB^{+} + C}$ $\ce{A^{+} +BC→AB + C^{+}}$ |
| 21. | Разрушение отрицательного иона | $\ce{A^{-} + B→A + B +e}$ $\ce{A^{-} + B→AB +e}$ |
| 22. | Превращение атомных ионов в молекулярные (конверсия) | $\ce{A^{+} + B +C→AB^{+} +C}$ |
| 23. | Фотовозбуждение атома или молекулы с последующим спонтанным излучением | $\ce{\hbar ω +B→B^{\ast}}$ |
| 24. | Фоторекомбинация и фотоионизация | $\ce{e +A^{+}⇄A +\hbar ω}$ |
| 25. | Фотодиссоциация и фоторекомбинация атомов и радикалов | $\ce{\hbar ω +AB⇄A +B}$ |
| 26. | Радиационное прилипание электрона к атому | $\ce{e +A→A^{-} +\hbar ω}$ |
В разл. лабораторных экспериментах и явлениях природы гл. роль играют те или иные неупругие столкновения частиц. Напр., излучение с поверхности Солнца обусловлено гл. обр. излучательным захватом электронов атомами водорода, при которых образуются отрицательные ионы водорода (табл., п. 26). Осн. процесс в электроразрядных молекулярных газовых лазерах – возбуждение колебательных уровней молекул электронным ударом (табл., п. 3); в результате этого процесса электрич. энергия газового разряда частично преобразуется в энергию лазерного излучения. В газоразрядных источниках света осн. процессами являются: в резонансных лампах – возбуждение атомов электронным ударом (табл., п. 2); в лампах высокого давления – фоторекомбинация электронов и ионов (табл., п. 24). Спиновый обмен (табл., п. 7) ограничивает параметры квантовых стандартов частоты, работающих на переходах между состояниями сверхтонкой структуры атома водорода или атомов щелочных металлов (табл., п. 9). Разл. неупругие процессы А. с. с участием свободных радикалов, ионов, электронов и возбуждённых атомов определяют многие свойства верхней атмосферы.