Элементарные процессы в плазме. Ионизация и рекомбинация.

Переход газа в состояние плазмы и поддержание этого состояния связаны с различными процессами на атомно-молекулярном уровне, которые принято называть элементарными.

Главным из этих процессов является процесс ионизации или отрыв электрона (в случае многократной ионизации – нескольких электронов) от атома или молекулы. Процесс, обратный ионизации, называется рекомбинацией (соединение иона и электрона с образованием нейтрального атома или молекулы).

Важнейшими способами ионизации являются

а) термический;

б) электромагнитное излучение (фотоионизация);

в) электронный удар;

г) столкновение частиц с атомами, ионами, молекулами (вместе с (в)) – столкновительная ионизация).

Ионизация – пороговый процесс, т.е. энергия от сталкивающихся частиц (в системе центра масс) или -кванта (при ионизации электромагнитным излучением) должна превышать некоторое значение, называемое порогом ионизации. Отношение порога ионизации к элементарному заряду есть потенциал ионизации (или ионизационный потенциал), измеряемый в вольтах. Среди атомов наименьшим ионизационным потенциалом характеризуются атомы щелочных металлов (ионизационный потенциал атомов Li, Na, K, Cs равен соответственно 5.4, 5.1, 4.3, 3.9 В, тогда как для атомов H, He, Ne – 13.6, 24.5, 21.5 B). По этой причине в присутствии паров щелочных металлов электропроводность газа, возникающая вследствие термической ионизации, наблюдается уже при температуре 2000 – 3000^оС.

Термическая ионизация возникает за счет столкновений наиболее быстрых частиц газа, т.е. его атомов и молекул. Если газ находится в равновесном состоянии, то можно сказать, что термическая ионизация вызывается столкновением частиц, скорости которых лежат на «хвосте» максвелловского распределения.

Ионизация излучением (под действием света, ультрафиолетовых или рентгеновских лучей) характерна для разреженной плазмы, так как при не слишком низкой плотности столкновения между частицами оказываются гораздо существеннее, нежели действие излучения. Процесс ионизации электронным ударом характерен для получения плазмы в электрическом газовом разряде. Механизм ионизации газа в разряде заключается в образовании электронной лавины, для развития которой необходимо, чтобы приложенное к газовому промежутку электрическое поле сообщало электрону на длине свободного пробега энергию, превышающую ионизационный потенциал. Более точно, должно выполняться условие

, (34)

где – отношение масс электрона и атома (молекулы), I – ионизационный потенциал. При выполнении условия (34) появление в газе по каким-то причинам небольшого количества электронов после их разгона электрическим полем приведет к появлению новых электронов и т.д. по принципу цепной реакции: так возникает электронная лавина, превращающая газ в плазму.

Существует два способа рекомбинации:

а) рекомбинация с излучением

, (35)

б) рекомбинация при тройных столкновениях

. (36)

Процесс (35) характерен для разряженной плазмы (36) в плотной плазме

перезарядка, т.е. процесс передачи заряда от иона к атому:

. (37)

Этот процесс имеет очень важное значение в термоядерных устройствах, поскольку высокоэнергетический ион может покинуть систему, превратившись в атом, оставив в плазме ион с низкой энергией.

30. Механизмы плазменной полимеризации. При цепном механизме реакций полимеризации, молекулы мономеров по одной присоединяются к растущей полимерной макромолекуле. Рассмотрим механизм реакции цепной полимеризации на примере анионной полимеризации стирола:

А)

Б)

Как следует из схем реакции выше, в процессе полимеризации стирола, только мономеры стирола могут присоединяться (1) к растущей цепи полистирола. Две растущие цепи (2) не вступают во взаимодействие. Это основная особенность реакции цепной полимеризации, которая отличает данный процесс от ступенчатой полимеризации.

 

С ростом олигомерной цепи процесс усложняется – мономеры, димеры, тирмеры, пентамеры и т.д. взаимодействуют друг с другом в случайном порядке до тех пор, пока олигомерная молекула не разрастается в большую полимерную макромолекулу и пока объемные, стерические, химические и прочие факторы не замедлят рост цепи.

 

Главным отличием цепной полимеризации от ступенчатой является: в ступенчатом процессе растущие молекулы могут взаимодействовать друг с другом с образованием еще более длинных цепей. В цепном процессе, напротив, только лишь мономеры могут поочередно присоединяться к активном центру растущей макромолекулы.

Однако, сделать вывод, что все цепные реакции – реакции присоединения, а ступенчатые – реакции поликонденсации будет неверным.