等离子体物理与技术chp4.pptx

等离子体物理与技术Plasma Physics and Technology;本章主要内容;4.1 碰撞的基本概念;4.1.1 等离子体中的二体碰撞;二体碰撞近似描述：将粒子运动轨迹分为碰撞区和碰撞间隙区。在碰撞区，不考虑外场对粒子的作用，而在碰撞间隙区，不考虑粒子之间的相互作用 低温、低密度等离子体，二体碰撞过程占主导地位 高温、强电离度等离子体，多体碰撞为主。但多体碰撞描述和计算极为复杂，往往近似为二体碰撞的叠加过程; 二体碰撞类型;二体碰撞的几个概念;刚性小球弹性碰撞;质心系;质心系中粒子碰撞前的速度和动量;质心系中粒子碰撞后的速度和动量;质心系中粒子的动量守恒;粒子的动能守恒;质心系中相对速度与动量的关系;实验室系中粒子碰撞后的动量;作图法;作图法;与mα和mβ有关的三种情况;角度关系;能量转移比例系数;刚性球碰撞时的微分散射截面;能量转移比例系数; 散射截面（碰撞截面）;碰撞截面的几点说明;典型的碰撞截面;冉邵尔效应;平均自由程;关于平均自由程的说明;碰撞频率;算例;等离子体中带电粒子间的库仑相互作用分成两部分 - 距离大于德拜长度：集体相互作用，粒子和自洽场作用 距离小于德拜长度：库仑碰撞，粒子和粒子直接相互作用 等离子体中库仑碰撞的特点 - 碰撞是渐进的（与中性粒子碰撞有别） - 多体相互作用 两体碰撞近似 - 等离子体是稀薄的 - 近似为系列的两体碰撞 - 最近距离远小于粒子平均距离; 近碰撞最大瞄准距离(远碰撞最小）：; 用热速度作为平均速度，近似获得库仑碰撞频率;库仑碰撞特征;迁移率;电导率;4.2 原子碰撞;4.2.1 原子能级;原子能级的计算需要求解薛定谔方程，但只有H原子的能级可以解析求解 经验方法：利用能级图，LS耦合方法确定能级 能级表示法：利用量子数 电子的状态由四个量子数描述，根据泡利不相容原理，两个电子不可能同时处在相同的电子状态 ;n、l、ml、ms n: 主量子数，单电子的能量 l: 轨道量子数，轨道角动量 ml: 轨道磁量子数， 轨道角动量在z方向的分量，空间取向量子化 s: 自旋量子数，自旋角动量 ms: 自旋磁量子数 每层有2n2种不同的电子状态 H、O、Na、Ar基态的电子壳层分布分别??：1S1、1S22S22p4、1S22S22p63s1、1S22S22p63s23p6 自旋使得能级分裂 谱线的精细结构; n = 1，2，…… ：最外层电子的主量子数 S = 0, ±1/2, 1 ：所有最外层价电子自旋总角动量， 2S+1表示多重简并 L = 0, 1，2，3，…… ：所有最外层价电子轨道总角动量 J = L + S, L + S-1, …|L-S| ：总角动量 代表L大小的符号 L = 0 1 2 3 …… 标记 S P D F …… 例：He 11S0：n=1, L=0, S=0, J=0 Na 32P3/2: n=3, L=1, S=1/2, J=3/2（激发态） 两个能级发生光辐射跃迁的条件(容许跃迁条件): (1) ΔL = 0，±1 (且L = 0 → L = 0的跃迁是不可能的) (2) ΔS=0， ΔJ=0，±1 (且J = 0 → J = 0的跃迁是不可能的) 其中， Δ表示两能级间量子数的差值。;4.2.2 原子碰撞类型;电子碰撞双原子离解 (3) 电离过程 电子碰撞电离 ;电子－亚稳态电离 亚稳态－中性粒子电离;(4) 退化与复合过程 退激发 电子－离子复合;辐射复合 电子附着;离子－离子复合;48;举例: Ne（氖）原子的激发、辐射与电离过程;Ne原子的电离;Ne原子的电子碰撞激发;Ne*光辐射与等离子体诊断;Ne*中的亚稳态;Nem*的潘宁电离;4.3 分子碰撞;4.3.1 分子的内能与离解能;方程：X Y ? X + Y 气体的标准生成热（ΔHf0） 25oC??一个大气压下生成1mol气体所需要的焓H(H=U+PV, V为体积，P为压强)，单位为kJ/mol，可以换算为eV/分子，一般以H2为标准（零） XY分子的离解能等于X和Y的标准生成热的总和与XY的标准生成热的差值;离解能举例;激发 e + XY ? XY* + e 中性离解（一般要先激发，后离解） e + XY ? X + Y + e 直接电离 e + XY ? XY+ + 2e 电离离解(不是所有气体分子都能直接电离,如CF4+非常不稳定) e + XY ? X+ + Y + 2e e + XY ? X + Y+ + 2e ;电子吸附 e + XY ? XY- 离解吸附 e + XY ? X- + Y