第1章-粒子间的碰撞

气体电子学及应用硕士研究生课程课程内容气体放电的机理气体放电的特性气体激光的一般理论气体放电的应用课程安排成绩期末考试---70%作业---15%出勤---15%教学形式基础理论---教师专题报告---教师资料搜集与讲解---学生课程安排教材主：气体电子学（胡志强）辅：气体电子学（丘军林）参考书目气体放电物理（徐学基）气体放电（杨津基）第一章：粒子间的相互碰撞1.1气体放电中的基本粒子1.2碰撞的物理概念和基本规律1.3粒子间的弹性碰撞1.4电子与重粒子的第一类非弹性碰撞1.5第二类非弹性碰撞1.6正离子的碰撞电离过程1.7光致电离和热电离1.8放射性射线引起的气体电离第一章粒子间的相互碰撞1.1气体放电中的基本粒子1.1.1种类：中性粒子带电粒子激发态粒子与光子1.1.2能量1.1.3相互作用第一章粒子间的相互碰撞1.1.1气体放电中的粒子种类1)中性粒子基态原子或分子X,XY,XYZ(Ar，N2,CO,CO2,CH3F,)压力范围:10-3torr760torr几十个大气压密度:108/cm3第一章粒子间的相互碰撞1.1.1气体放电中的粒子种类2)带电粒子:被电离电子+各种离子()HeHe+AirN+,N2+,O+,O2+NO-,O2-,NO2-,O3-对气体放电特性，电子占统治地位。电子密度:1016-1020/cm3第一章粒子间的相互碰撞1.1.1气体放电中的粒子种类3)激发态粒子和光子:中性粒子+带电粒子通常决定气体放电的特性;但是激发态中性粒子(X*,XY*)和激发态离子(X+*)对激光器、光源和其他基于量子效应的设备有着非常重要的作用。跃迁时辐射的光子：光致激发光致电离受激辐射第一章粒子间的相互碰撞1.1.2粒子能量1)光子和电子能量光子的能量决定于它的频率ν，其能量表示为：εν＝hν，h是普朗克常数。自由电子的能量由它的运动速度v决定：εe＝1/2mv2，m是电子的质量。第一章粒子间的相互碰撞1.1.2粒子能量2)原子能量我们感兴趣的只是原子最外层的价电子的能量。原子通常处于稳定的能级，称为基态；当价电子从外界获得额外的能量时，它可以跳跃到更高的能级，我们就说原子处于激发态。电子停留在激发能级上的时间很短，也有一些能级的寿命比较长，称为亚稳能级。第一章粒子间的相互碰撞1.1.2粒子能量3)分子能量分子一般由几个原子组成，由于这些原子之间的相互影响，分子能级比原子能级更复杂，气体分子的激发和电离也与气体原子的激发和电离不同。分子的内能除电子能量外，还有振动能和转动能，这些能级也都是分立的。第一章：粒子间的相互碰撞1.1.2粒子能量4)激发及电离•激发：激发态(10-8s)谐振跃迁谐振能级谐振辐射亚稳态能级(10-4-10-2s)激发能(eUe)•电离：电离态电离能(eUi)逐次电离过程•累积激发和累积电离hWWm0图1.1原子跃迁辐射能级图N=4N=3N=2N=1第一章：粒子间的相互碰撞1.1.2粒子能量4)激发及电离•对分子rververve激发次序:转动振动电子能态电离分子电离电位可以大于或小于组成它的原子的电离电位第一章粒子间的相互碰撞1.1.3粒子间的相互作用气体放电中任何一个粒子会通过碰撞过程与其他各种粒子产生相互作用。粒子之间通过碰撞交换动量、动能、位能和电荷，使粒子发生电离、复合、光子发射和吸收等物理过程。粒子间相互作用的过程相当复杂，但可以用相应的碰撞特征参量（如截面、几率等）来表征。第一章：粒子间的相互碰撞1.2碰撞的物理概念和基本规律1.2.1碰撞的概念和分类概念：粒子间的碰撞是指它们在各种力场下的相互作用。分类：弹性碰撞与非弹性碰撞弹性碰撞：碰撞前后动能总和不变，粒子内部结构也不发生改变非弹性碰撞：粒子总动能和粒子内部结构均发生改变第一类非弹性碰撞:总动能,其中一个粒子内部能量第二类非弹性碰撞:其中一个粒子释放内部能量,另一个粒子的动能或内部能量第一章：粒子间的相互碰撞1.2碰撞的物理概念和基本规律1.2.2碰撞过程的能量转移1）弹性碰撞：以对心碰撞为例：能量守恒定律：动量守恒定律：2222222211222211umumvmvm22112211umumvmvm第一章：粒子间的相互碰撞设第二个粒子碰撞前静止，则可解得：221211212212122111)(4)(421mmmm22121)(2mmmm121121212112mmmummmmu第一章：粒子间的相互碰撞一次碰撞传递的能量分数很少，但通常电子与原子发生碰撞时都要改变运动方向，则电子向阳极运动过程中，碰撞是极为频繁的(109次/s)，所以每秒钟传给气体原子的总能量亦不可忽略。电子和原子发生碰撞离子和原子发生碰撞6410--102Mme21离子在弹性碰撞中损失能量的分数要比电子大的多。第一章：粒子间的相互碰撞1.2.2碰撞过程的能量转移2）第一类非弹性碰撞：以对心碰撞为例：1212max1211110WmmmWmmmududW221111222211211222umumvmWumumvm2211112211211)(222mummmummW第一章：粒子间的相互碰撞1.2.2碰撞过程的能量转移2）第一类非弹性碰撞1212maxWmmmW若m1m2,WmaxW1使m2激发或电离;若m1m2,WmaxW1/2W12Eioni使m2电离具有相同动能的电子和离子与原子发生碰撞时，前者能传给原子更多的能量，因此前者对原子的激发和电离有更大的作用。第一章：粒子间的相互碰撞1.2.3碰撞的特征参量1）碰撞截面qe(cm2)：一个电子和一个分子（原子）发生碰撞的几率2）碰撞几率（f)和平均自由程(λe)平均自由程：电子在两次碰撞间经过的平均距离pQNqQxNqAxNAqfeeeeee11弹性碰撞截面激发碰撞截面电离碰撞截面第一章：粒子间的相互碰撞1.2.3碰撞的特征参量3)碰撞频率在交变放电和微波放电情况下，使用碰撞频率的概念更为方便。定义单位时间内发生碰撞次数的平均值为碰撞频率υ如果电子以速度v射入密度为N的气体中，则υ=qeNv第一章：粒子间的相互碰撞1.3粒子间的弹性碰撞1.3.1电子与原子的弹性碰撞能量很低的电子与气体原子碰撞时，只能发生弹性碰撞。由于他们的质量相差很多，一次碰撞过程中传递的能量分数很小，电子速率变化不大。但由于电子可以散射到任意方向上，碰撞次数可以很多，传递的总能量不容忽视。可以用碰撞截面表示其碰撞几率。第一章：粒子间的相互碰撞1.3粒子间的弹性碰撞1.3.2重粒子之间的弹性碰撞离子与气体原子发生弹性碰撞时，在一定的气体中，离子的弹性碰撞截面随离子质量的增加而增大，随粒子动能的增加而降低，并趋近一常数。对于同一种离子，其弹性碰撞截面随气体原子质量的增加而上升。第一章：粒子间的相互碰撞1.4电子与重粒子的第一类非弹性碰撞1.4.1电子碰撞激发1)激发过程当电子能量增加到大于原子第一激发电位时，就开始有电子碰撞激发过程。e+XX*+e,e+X*X**+e激发几率表示激发碰撞截面与总的电子碰撞截面之比第一章：粒子间的相互碰撞1.4.1电子碰撞激发2)激发函数电子碰撞原子引起激发的几率与电子在碰撞前所具有的动能之间的关系称为激发函数。当电子能量低于气体原子的激发电位时，激发几率为零；从激发电位开始，随着电子能量增加，激发几率急剧增大，在电子能量大约为10～100eV范围时，激发几率达到最大值。此后，随着电子能量继续增加，激发几率逐渐减小。氢分子的激发截面阈值比氢原子低的多。30eVq2eVq6eV10eV图1.2氢原子的激发图1.3氢分子的激发碰撞截面碰撞截面第一章：粒子间的相互碰撞1.4.2电子碰撞电离1)碰撞电离过程当电子能量继续增加，到大于原子的电离能时开始产生碰撞电离过程。e+XX++e+e,e+X*X++e+e电子碰撞电离后共有两个电子，若在电场作用下加速，则他们有可能再次产生碰撞电离过程。第一章：粒子间的相互碰撞1.4.2电子碰撞电离2)电离函数电离几率表示电离碰撞截面与总碰撞截面之比。电离几率与电子能量的关系，称为电离函数。曲线起点就是该气体的电离电位，当电子能量增加到大约100～200eV时，电离几率一直增加，随后缓慢下降，最大电离几率发生在电子能量为5～10倍电离能的范围内。第一章：粒子间的相互碰撞1.4.2电子碰撞电离3)激发与电离函数曲线分析自由电子能量越大，促使价电子脱离原来的轨道的能力更强。有利于产生激发和电离。另一方面，若自由电子能量过大，则它可能经过原子附近很快的飞过，相互作用时间过短，来不及交换能量，以致不利于产生激发和电离。激发几率和电离几率，将取决于上述两个因素的作用。能量较小时，前一因素占主导地位，函数曲线上升；能量相当大时，后一个因素的作用较大，曲线反而下降。第一章：粒子间的相互碰撞1.4.3分子离解过程离解过程是使分子碎裂分开的过程。原则上如果电子具有超过离解阈值的能量，当电子与分子碰撞时，就可能发生离解过程。但这个能量是比较高的，而且具体的离解过程与各种分子的结构有关。如辉光放电中常见的离解过程有：e+O2→e+O+O第一章：粒子间的相互碰撞1.5第二类非弹性碰撞---亚稳原子与电子或其它粒子超弹性碰撞.X*+e(慢)X*(能级改变)+e(快)He-Ne激光器:e(慢)+He*(21S0)e(快)+He*(23S1)原子激发能量转移X*+YX+Y*±WHe-Ne激光器:Ne+He*(21S0)He+Ne*(3S2)-W-----是选择性激发的一种重要形式第一章：粒子间的相互碰撞1.5第二类非弹性碰撞---亚稳原子与电子或其它粒子潘宁效应（PE）(Uex|-xUi|-y)X*+YX+Y++e(KE)orX*+YX+Y+*+e(KE)使有效电离电位Ui--在金属蒸气激光器中,PE非常有用--在准分子激光器中,PE要予以消除亚稳原子与分子发生碰撞X*+YZX+Y+Z亚稳原子互碰电离Ar*+Ar*Ar+Ar++e第一章：粒子间的相互碰撞1.6正离子的碰撞电离过程损失能量多，不易累计能量正离子和原子速度相差不多100eV,ei；尽管其动能大于电离能,电离不易发生。1000eV,e&i；KE10000eV,正离子的电离作用与电子相近；通常只有很小一部分正离子的动能可以达到使气体原子电离的能量。第一章：粒子间的相互碰撞1.7光致电离和热电离1.7.1光致激发和光致电离X+hX*:(eUex)光致激发X+he+X+:(eUi)光致电离铯原子,Ui=3.89V电离电位最低,=317.4nm,在可见光(380－760nm)的作用下，气体或蒸气都不会发生光致电离i|max(光子):(0.11eV)+Ui(原子)e|max(电子):(510)Ui(原子)第一章：粒子间的相互碰撞1.7光致电离和热电离1.7.1光致激发和光致电离紫外光:h=eUi+meve2/2累积光电离X射线e(高初速度)电子碰撞电离X射线直接光致电离新的X射线在暗放电和辉光放电中,光致电离并不重要在火花放电和电晕放电中，常常有很重要的作用第一章：粒子间的相互碰撞1.7光致电离和热电离1.7.2热激发和热电离热激发(TE)热电离(TI)TTI热动平衡:TI复合沙哈公式(高气压弧光放电及火花放电)TVUieKTpapx)(116005.22)()(1019.32第一章：粒子间的相互碰撞1.7光致电离和热电离1.7.3电子发射除了气体中可以产生电子—离子对之外，电子或离子作用在固体表面