Рекомбинация ионов и электронов в плазме. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Рекомбинация ионов и электронов в плазме - элементарный акт присоединения электрона к иону, приводящий к снижению заряда нона на единицу. В зависимости от конкретных параметров плазмы преобладает тот или иной механизм (тип) Р.: фоторекомбинация, диэлектронная, диссоциативная, тройная электрон-ионная. В свою очередь, механизмы Р. и её интенсивность оказывают существ. влияние на значения осн. параметров плазмы (плотность и температуру электронов, ионный состав и др.), определяют характер протекания в плазме макроскопич. явлений (возникновение неустойчивостей, сжатие газового разряда, излучат. процессы). Разл. механизмы Р. отличаются друг от друга каналами отвода от системы рекомбинирующих частиц энергии, выделяющейся в результате образования связанного состояния. Интенсивность Р. характеризуется коэф. Р. а, к-рый определяется соотношением:

где

- объёмная концентрация ионов данного j-го сорта, N_e - концентрация электронов.

Фоторекомбинация иона

Фоторекомбинация иона при столкновении с электроном происходит с излучением кванта света:

(Z - заряд иона). Сечение фоторекомбинации, про-порц.

, порядка

см² (а₀ - радиус Бора), т. е. фоторекомбинация может играть заметную роль лишь в плазме малой плотности при не слишком низких темп-pax, когда, с одной стороны, несущественна трёхчастичная Р., а с другой - отсутствуют молекулярные ионы, эффективно нейтрализующиеся в результате диссоциативной Р. Сечение фоторекомбинации выражается обычно через измеряемое сечение обратного процесса (фотоионизация) s_и соотношением, вытекающим из принципа детального равновесия:

где

- статистич. вес иона и атома соответственно, k и q - волновые векторы фотона и электрона (

- скорость электрона). Сечение фоторекомбинации с образованием высоковозбуждённого атома с эфф. значением гл. квантового числа n даётся выражением:

На рис. представлена температурная зависимость коэф. Р. a электрона и иона водорода в равновесных условиях. Фоторекомбинация однозарядных и многозарядных ионов с электронами является одним из осн. механизмов охлаждения термоядерной плазмы; измерения спектральной интенсивности фоторекомбинац. излучения служат важным источником информации о температуре, ионном составе и плотности термоядерной плазмы. Фоторекомбинация играет существ. роль в балансе энергии и заряж. частиц плазмы диффузных и планетарных туманностей, а также короны Солнца и звёзд, остатков сверхновых и звёздного ветра.

Температурная зависимость коэффициента фоторекомбинации электрона и протона.

Диэлектронная рекомбинация

к-рое стабилизируется либо в результате соударений с электронами плазмы

либо в результате спонтанного высвечивания

Диэлектронная Р. существенно влияет на зарядовый состав и определяет излучат. свойства высокотемпературной плазмы, содержащей многозарядные ионы ,и разреженной плазмы. К плазмам этого типа относятся лаб. термоядерная плазма, активная среда рентг. лазеров, плазма планетарных туманностей, звёздных и галактич. корон и др.

Диссоциативная рекомбинация

Диссоциативная рекомбинация электрона и молекулярного иона

сопровождается диссоциацией молекулярного иона, на к-рую расходуется энергия связи электрона и иона, преобразующаяся также частично в кинетич. энергию разлёта атомов. Этот процесс в осн. определяет объёмную нейтрализацию заряж. частиц в низкотемпературной плазме молекулярных газов, а также в плазме атомарных газов достаточно высокого давления (р

10 тор) при умеренных темп-pax тяжёлых частиц (до ~ 1000 К), когда преобладающим сортом положительно заряженных частиц являются молекулярные ионы. Типичные значения коэф. диссоциативной Р. при комнатной температуре представлены в табл.; если температура отлична от комнатной, она указана в скобках (К):

Зависимость коэф. диссоциативной Р. от температуры электронов Т_е и температуры газа Т имеет вид:

где

- значение коэф. при Т_е = Т = Т₀. Обычно один из атомов, образующихся в результате диссоциативной Р., оказывается сначала в возбуждённом состоянии, а затем переходит в невоз-буждённое, спонтанно излучая. Это излучение служит источником информации о механизме диссоциативной Р., а также о состоянии молекулярных ионов в плазме. Процесс диссоциативной Р. играет заметную роль в ионосфере Земли, в газоразрядной плазме и в активных средах газовых лазеров.

Тройная электрон-ионная рекомбинация происходит по схеме

согласно к-рой избыточная энергия уносится электроном плазмы. Именно таким процессом объясняется нейтрализация заряж. частиц в плазме атомарного газа с электронной температурой, много меньшей потенциала ионизации атомов, с достаточно высокой плотностью электронов

при преобладании атомарных ионов (давление газа

10 тор). В этих условиях электрон-электронное соударение в поле иона приводит к захвату одного из электронов в высоковозбуждённое состояние атома с энергией ионизации порядка kT_e. В результате последующих столкновений возбуждённого атома с электронами плазмы, а также процессов спонтанного излучения слабосвязанный электрон переходит в основное состояние атома. Поскольку в процессе тройной Р. слабосвязанный электрон большую часть времени проводит в высоковозбуждённых состояниях (см. Ридберговские состояния ),структура к-рых мало зависит от сорта атома, коэф. тройной Р. при условиях, когда роль спонтанного излучения невелика, описывается выражением:

Зависимость a от конкретного сорта атома заключена в слабо изменяющемся безразмерном множителе

В последней части этого выражения N_e измеряется в единицах см^-3, Т_е - в эВ. Тройная электрон-ионная Р. играет существ. роль в плазме дугового разряда, в пучковой плазме высокого давления и фоторезонансной плазме.

Литература по рекомбинации ионов и электронов в плазме

Знаете ли Вы, что любой разумный человек скажет, что не может быть улыбки без кота и дыма без огня, что-то там, в космосе, должно быть, теплое, излучающее ЭМ-волны, соответствующее температуре 2.7ºК. Действительно, наблюдаемое космическое микроволновое излучение (CMB) есть тепловое излучение частиц эфира, имеющих температуру 2.7ºK. Еще в начале ХХ века великие химики и физики Д. И. Менделеев и Вальтер Нернст предсказали, что такое излучение (температура) должно обнаруживаться в космосе. В 1933 году проф. Эрих Регенер из Штуттгарта с помощью стратосферных зондов измерил эту температуру. Его измерения дали 2.8ºK - практически точное современное значение. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.