[科普中國(guó)]-等離子體碰撞過(guò)程

等離子體(plasma)又叫做電漿，是由部分電子被剝奪后的原子及原子團(tuán)被電離后產(chǎn)生的正負(fù)離子組成的離子化氣體狀物質(zhì)，尺度大于德拜長(zhǎng)度的宏觀電中性電離氣體，其運(yùn)動(dòng)主要受電磁力支配，并表現(xiàn)出顯著的集體行為。1通常采取氣體動(dòng)力學(xué)理論中的慣用的處理方法，在粒子相互作用區(qū)域不考慮外場(chǎng)的影響，而在碰撞的間隔部分不考慮粒子相互作用力。因?yàn)橄嗷プ饔冒霃奖茸杂沙绦『芏?。等離子體的碰撞過(guò)程主要分為二體碰撞，庫(kù)倫碰撞，原子碰撞和分子碰撞。2

等離子體中的二體碰撞等離子體是多組元弱相互作用粒子的氣體。一般來(lái)說(shuō)，二體碰撞適用于帶電粒子與中性粒子之間的碰撞，在一定近似下也可以用于帶電粒子之間的碰撞。二體碰撞是等離子體碰撞過(guò)程中最基本的問(wèn)題。3

二體碰撞的原因1.等離子體中包含大量無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)的電子、離子及中性粒子；

2.等離子體的一些特有性質(zhì)與等離子體粒子之間的碰撞密切相關(guān)；

3.粒子碰撞特性與等離子體密度、溫度及電離度的強(qiáng)弱有關(guān)；

4.碰撞過(guò)程一般為多體過(guò)程（一個(gè)帶電粒子與多個(gè)粒子相互作用）。

二體碰撞近似低溫、低密度等離子體，二體碰撞過(guò)程占主導(dǎo)地位。高溫、強(qiáng)電離度等離子體，多體碰撞為主。但多體碰撞描述和計(jì)算極為復(fù)雜，往往近似為二體碰撞的疊加過(guò)程。關(guān)于二體碰撞近似描述為：將粒子運(yùn)動(dòng)軌跡分為碰撞區(qū)和碰撞間隙區(qū)。在碰撞區(qū)，不考慮外場(chǎng)對(duì)粒子的作用，而在碰撞間隙區(qū)，不考慮粒子之間的相互作用。

二體碰撞類(lèi)型三種基本運(yùn)動(dòng)粒子分別為電子（e），離子（i），中性粒子（n）。則可以形成六種碰撞組合：e-i，e-e，i-i，e-n，i-n和n-n。前三種碰撞為帶電粒子與帶電粒子之間的碰撞，庫(kù)侖力作用，無(wú)需粒子直接接觸，為庫(kù)侖碰撞后三種中碰撞的粒子至少有一方為中性粒子，需要直接接觸才會(huì)產(chǎn)生相互作用力電子與原子碰撞主要過(guò)程有彈性散射（電子動(dòng)量改變）和激發(fā)、電離等離子與原子碰撞主要過(guò)程有彈性散射（動(dòng)量和能量交換）和共振電荷轉(zhuǎn)移等分子氣體中還包括分解、分解復(fù)合、電子吸附和解吸附。

此外碰撞截面越大，越容易發(fā)生碰撞！它可以用來(lái)衡量粒子發(fā)生碰撞的概率，分子、原子的半徑約為10-10m，它們的碰撞截面約為10-20m。3

等離子體中的庫(kù)侖碰撞原因與特點(diǎn)等離子體中帶電粒子間的庫(kù)侖相互作用分成兩部分：1.距離大于德拜長(zhǎng)度：集體相互作用，粒子和自洽場(chǎng)作用；2.距離小于德拜長(zhǎng)度：庫(kù)侖碰撞，粒子和粒子直接相互作用。那么，等離子體中庫(kù)侖碰撞的特點(diǎn)就是碰撞是漸進(jìn)的（與中性粒子碰撞有別），并且是多體相互作用。

庫(kù)倫碰撞近似1.等離子體是稀薄的；

2.近似為系列的兩體碰撞；

3.最近距離遠(yuǎn)小于粒子平均距離。3

等離子體中的原子碰撞原子能級(jí)各種原子或分子系統(tǒng)的能級(jí)躍遷問(wèn)題需要用量子電動(dòng)力學(xué)理論作全面描述。原子中電子與電磁輻射的關(guān)系是：束縛電子在原子系統(tǒng)的不同能級(jí)中躍遷時(shí)產(chǎn)生電磁輻射或光子輻射，且每種原子系統(tǒng)都有其獨(dú)特的原子能級(jí)（決定于束縛電子與原子核之間的電磁作用）。

原子碰撞類(lèi)型主要根據(jù)碰撞反應(yīng)的生成物：電子與原子碰撞能產(chǎn)生激發(fā)態(tài)中性粒子、離子、輻射、額外電子等來(lái)進(jìn)行分類(lèi)。主要包括：

1.彈性碰撞，其特點(diǎn)是發(fā)生反射并且無(wú)新的生成物。

2.激發(fā)過(guò)程，主要有電子碰撞激發(fā)，而激發(fā)態(tài)粒子具有很好的化學(xué)活性，有些激發(fā)態(tài)粒子較穩(wěn)定，稱亞穩(wěn)態(tài)。

3.電離過(guò)程，主要有電子碰撞電離、電子碰撞雙原子分解、電子－亞穩(wěn)態(tài)電離、亞穩(wěn)態(tài)－中性粒子電離等。

4.退化與復(fù)合過(guò)程，主要有退激發(fā)、電子－離子復(fù)合、輻射復(fù)合、電子附著、離子－離子復(fù)合。例如Ne（氖）原子的激發(fā)、輻射與電離過(guò)程就是如此。3

等離子體中的分子碰撞分子碰撞的原因及特點(diǎn)因?yàn)榉肿拥膬?nèi)能的存在，在等離子體加工工藝中常用的氣體，除了單原子分子氣體外，還有多原子分子氣體，如H2,O2, 甲烷(CH4)，硅烷(SiH4)及氟利昂(CF4)等。而且多原子分子中的原子以共有電子對(duì)的形式結(jié)合。分子的內(nèi)能U即為整體直線平動(dòng)+振動(dòng)+旋轉(zhuǎn)能量+原子結(jié)合成分子時(shí)獲得的勢(shì)能。此外，由于分子的離解能，即一個(gè)分子各原子的標(biāo)準(zhǔn)生成熱的總和與該分子的標(biāo)準(zhǔn)生成熱的差值，也會(huì)導(dǎo)致等離子體的分子碰撞。

分子碰撞的類(lèi)型主要包括：激發(fā)、中性離解（一般要先激發(fā)，后離解）、直接電離、電離離解(不是所有氣體分子都能直接電離,如CF4+就非常不穩(wěn)定)、電子吸附、離解吸附、電子與離子復(fù)合（輻射光子，三體復(fù)合中多余能量給第三個(gè)粒子）。一般來(lái)說(shuō)，分子的離解產(chǎn)生具有活潑化學(xué)反應(yīng)性的中性基團(tuán)。3

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

胡建平 - 副教授 - 西北工業(yè)大學(xué)