Неупругих столкновениях

Ионизация холодной плазмы осуществляется весьма небольшим числом высокоскоростных электронов, соответствующих «хвосту» максвелловского распределения. Поэтому неупругих столкновений в сварочном столбе дуги обычно значительно меньше, чем упругих.

Порог. Существует много неупругих столкновений, в которых внутренняя энергия частиц способна изменяться только на совершенно определенную величину, зависящую от свойств самих частиц (таковы, например, неупругие столкновения атомов и молекул). Несмотря на это, экзоэнергетические столкновения (Q>0) могут происходить при сколь угодно малой кинетической энергии налетающей частицы. Эндоэнергетические же процессы (Q<0) в таких случаях обладают порогом. Порогом называют минимальную кинетическую энергию налетающей частицы, начиная с которой данный процесс становится энергетически возможным.

Общая характеристика неупругих столкновений. Неупругие столкновения двух частиц. Поглощение фотона. Испускание фотона

Общая характеристика неупругих столкновений. Их основной особенностью является изменение внутренней энергии частиц или тел, участвующих

Атомные частицы, проходя через вещество, теряют энергию двумя способами. Во-первых, они могут возбуждать или вырывать атомные электроны; во-вторых, они могут передавать энергию атому в целом при ядерных столкновениях. В связи с этим прохождение атомных частиц через вещество представляет сложную задачу многих тел. Однако ввиду большой массы ядра по сравнению с массой электрона можно с приемлемой степенью точности провести различие между «ядерными столкновениями», при которых импульс и кинетическая энергия частицы переходят в поступательное движение атома как целого, и «электронными столкновениями», при которых энергия передается атомным электронам и происходит возбуждение или ионизация атома. Ядерные столкновения относят к разряду упругих в отличие от неупругих столкновений при обмене энергией налетающей частицы с электронной подсистемой вещества.

Вторичное ^-излучение в канале возникает вследствие неупругих столкновений быстрых нейтронов с ядрами элементов составляющих и при радиационном захвате ими тепловых нейтронов. Естественно предположить, что должна существовать корреляция между мощностью дозы -у-излучения на оси канала и суммарной плотностью потока быстрых и тепловых нейтронов в той же точке, т. е.

Спектр неупругих столкновений значительно разнообразнее. Остановимся лишь на процессах, играющих важную роль в физике лазеров. Возбуждение активных частиц в электрическом разряде осуществляется в основном при их столкновении с электронами (электронным ударом)

Электроны в электрическом поле набирают энергию в интервале между столкновениями и отдают их при упругих и неупругих столкновениях с атомами и молекулами газа. Рассматривая изменение количества движения электрона в направлении электрического поля ~теие за время между столкновениями v^1, в отсутствие неупругих столкновений можно получить приближенное выражение для скорости дрейфа электронов

где ai = 0,85, т.е. игоо?/пасо?/р0. Если же электрическое поле влияет на вид функции распределения, характер зависимости ие от Е меняется. Если Ке= const, то в (3.34) ai = i;i9, иеоо(?/ро)'/г и «есо(?/р0)'/г. При учете неупругих столкновений ие растет с Е быстрее, т. е. '

ня и возможность генерации в непрерывном режиме. Принцип работы Не — Ne-лазера иллюстрируется упрощенной схемой уровней Не и Ne (рис. 4.17). Так же как и в случае ССЬ-лазера, в основе создания инверсной заселенности уровней атома Ne лежит высокая эффективность резонансных процессов передачи возбуждения в результате неупругих столкновений частиц между собой. В Не — Ne-лазере верхние лазерные уровни Ne 3s2 и 2s2 близки к метастабильным уровням Не 2'So и 23Si (дефицит энергии равен 300 см~', что соответствует поступательной энергии <~3/2йГг при температуре ~300 К). Эти метастабильные уровни Не весьма эффективно заселяются электронным ударом в процессе

Квазивакуумный режим реализуется в цезиевом ТЭП при значении МЭЗ порядка радиуса Дебая (4—10 мкм). Вследствие малости межэлектродного зазора, который значительно меньше длины свободного пробега электронов для упругих и неупругих столкновений электронов с атомами це-

При энергиях налетающих электронов, превышающих приблизительно 140 МэВ, начинает действовать др\той механизм потери энергии и импульса. В этой области при неупругих столкновениях наблюдается, что

в столкновении. Это означает, что при неупругих столкновениях происходит превращение кинетической энергии во внутреннюю или наоборот, а также внутренней энергии одной частицы во внутреннюю энергию другой. Частица или тело, внутренняя энергия которого изменилась, а следовательно изменилось и внутреннее состояние, становится уже другим телом или частицей или тем же телом или частицей, но в другом энергетическом состоянии. Поэтому при неупругих столкновениях происходит взаимопревращение частиц. Если, например, квант света поглощается атомом, то не только исчезает квант, но и атом переходит в другое энергетическое состояние. Многочисленные ядерные реакции являются такими неупругими процессами.

Быстрые нейтроны, а-частицы, протоны, осколки деления и т. д. теряют энергию при прохождении через материалы: сначала при неупругих столкновениях производят ионизацию, затем при упругих образуют смещения в решетке. Смещение атома в решетке происходит, если энергия, передаваемая при упругом столкновении, больше примерно 25 эб. Хотя большая часть энергии тяжелых заряженных частиц теряется при ионизации, остается достаточно энергии для смещений в решетке. Так как сечение столкновения для заряженных частиц относительна велико, смещения происходят близко одно к другому, нарушая решетку в относительно небольшом объеме. Обычно смещенные атомы в первый момент обладают энергией, достаточной для вторичных смещений, которые в свою очередь могут привести к смещениям третьего и более высоких порядков. Они образуют локализованные области нарушений в кристаллах, называемые пиками. С другой стороны, сечение соударения быстрых нейтронов (высоких энергий) мало и приводит к смещениям, рассеянным вдоль пути нейтрона в кристаллической решетке. Как и для тяжелых заряженных частиц, в этом случае могут происходить смещения вторичных и более высоких порядков с образованием изолированных областей разу-порядочения. Радиус действия нейтронов много больше радиуса действия тяжелых заряженных частиц, и большая часть их энергии достаточна для образования смещений.

образуют смещения в последующих столкновениях, составляет сравнительно малую часть первоначальной энергии осколков: ?упр= = 8,7±2,7 МэВ. Основная доля начальной энергии осколков деления теряется в неупругих столкновениях с электронами и в конечном итоге выделяется в виде тепла.

При неупругих столкновениях бета-излучения с атомными ядрами происходит торможение электронов в электрическом поле ядра, и потерянная ими энергия преобразуется в тормозное рентгеновское излучение. При умеренных энергиях электронов форма кривой распределения интенсивности тормозного излучения мало зависит от атомного номера элемента, через который проходит электрон, а также от энергии электрона.

В газовом разряде электроны могут получать энергию, ускоряясь в электрическом поле, и от возбужденных молекул при ударах второго рода. Эта энергия расходуется при упругих и неупругих столкновениях с атомами и молекулами. В зависимости от соотношения между направленным действием электрического поля и хаотизи-рующими движение упругими взаимодействиями могут установиться различные распределения скоростей электронов: от строго направленного до совершенно хаотического. Распределение скоростей электронов можно найти, решая кинетическое уравнение. Однако из-за математических трудностей, связанных с необходимостью учета неупругих и кулоновских столкновений, это решение удается получить строго лишь в ряде простых частных случаев. Стационарное распределение скоростей электронов ve получено лишь для случая постоянного слабого электрического поля Е при малой концентрации электронов. При ? = 0 распределение электронов является максвелловским с температурой TeczTa и средней тепло-

— коэффициент неупругих потерь; ие — средняя скорость направленного движения электронов в электрическом поле; kai — константа неупругого процесса; пш- — концентрация нейтральных частиц в основном состоянии; ~&^Г^::'^отерк~энёргнн~эл~ёктропа при неупругих столкновениях; \еа — частота упругих столкновений электронов с нейтральными атомами. Решая это уравнение относительно Ue, нетрудно получить выражение для средней энергии электронов:

Электроны в электрическом поле набирают энергию в интервале между столкновениями и отдают их при упругих и неупругих столкновениях с атомами и молекулами газа. Рассматривая изменение количества движения электрона в направлении электрического поля ~теие за время между столкновениями v^1, в отсутствие неупругих столкновений можно получить приближенное выражение для скорости дрейфа электронов

Формирование, фокусировка и управление электронным лучом осуществляются в электронной пушке. Электроны, эмиттируе-мые катодом, ускоряются напряжением до 150 кВ, в результате скорость электронов в луче достигает 20-104 м/с. После фокусировки плотность энергии в пучке составляет 108— 109 Вт/см2. Сфокусированный пучок электронов проходит в рабочую камеру и бомбардирует обрабатываемую поверхность. При бомбардировке кинетическая энергия электронов преобразуется в тепловую энергию обрабатываемого вещества. Преобразование происходит при неупругих столкновениях быстрых электронов с электронами атомов вещества и последующем взаимодействии возбужденных атомов с атомной решеткой, вызывающем увеличение температуры вещества.

при неупругих столкновениях в молекулярных

Неравновесная (нетермическая) ионизация может реализовываться в плазме инертных газов с присадкой щелочного металла за счет индуцированного электрического поля. Электроны приобретают энергию при протекании тока в плазме, а теряют свою энергию при столкновениях с тяжелыми частицами. Средняя доля энергии, теряемой электроном при одном столкновении, составляет 8 • 2те I Ма, где Ма — масса тяжелых частиц, а 5 — коэффициент потерь при неупругих столкновениях. При упругих столкновениях 8 = 1, и электроны при каждом столкновении теряют небольшую часть энергии, поэтому энергия электронов превышает энергию основного газа. Поскольку в МГД-генераторе существенную роль играют объемные процессы (ионизация и механизм переноса энергии при столкновении частиц), а распределение электронов максвелловское, то можно ввести понятие «электронной температуры» Те, отличающейся от температуры тяжелых частиц основного газа Та. В молекулярных газах благодаря возбуждению вращательных и колебательных степеней свободы коэффициент неупругих столкновений 5 увеличивается в десятки и сотни раз (табл. 9.27), поэтому достижение неравновесной ионизации в молекулярных газах в МГД-генераторе представляется нереальным.