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)