第四章、带电粒子的转化与衰减过程讲述.doc

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第四章、带电粒子的转化与衰减过程讲述

第四章、带电粒子的转化与衰减过程 在第二章中,着重介绍了带电粒子的产生过程。经过电场加速的快电子碰撞中性粒子会产生电子和正离子,而这些带电粒子经过电场加速获取能量,继续与中性粒子碰撞又产生电子和正离子,这样会导致带电粒子浓度越来越大,直至完全电离。而事实并非如此,一定还有另一种过程使带电粒子减少,这就是带电粒子的衰减过程。带电粒子的的衰减过程包括:正、负带电粒子相互碰撞发生复合;带电粒子与放电电极或管壁碰撞,导致带电粒子的消失。除此之外,电子与中性原子或中性分子碰撞还会形成负离子。 一、负离子的形成 气体放电中,除了有电子、正离子之外,还会有负离子存在。实验证明,除了N原子、惰性气体以及元素周期表中第II族元素外,所有的元素都可以形成负离子。此外还有分子型负离子、聚合负离子以及多荷负离子(例如O2-)。 1、原子型负离子 为什么有的原子容易形成负离子,有的原子不容易形成负离子呢?这与原子的亲合势的大小紧密相关。先介绍亲合势的概念。 亲合势:中性原子基电子态与相应的负离子基电子态的能量差,即为原子对电子的亲合势Wa,单位一般取eV。 如果某原子的亲合势为正值,且数值越大,则形成负离子时放出的能量越多,发生该过程的几率越大,且所形成的负离子越稳定。这与能量最低原理相一致。 比如F原子的亲合势在所有元素中是最大的,为+4.0eV,所以F原子与电子碰撞容易形成负离子,并放出能量。 负离子的稳定性:根据原子理论,当电子依附在原子上形成负离子后,负离子与原子一样,具有一系列能级(量子态),负离子的基电子态的位能与对应中性原子的基电子态相比,负离子的基电子态的位能越低,则该负离子越稳定。例如,F-比F低4.0eV,所以F-容易形成,且稳定。 卤族元素最外层有7个电子,比封闭壳层只少一个电子,最容易俘获一个电子形成稳定壳层。所以卤族元素的电子亲合势均为相当大的正值(F:4.0eV;Cl:3.7eV;Br:3.5eV;I:3.1eV),所以卤族原子极易形成负离子。 惰性气体的原子最外层为封闭的电子壳层,原子核的电场被外壳层的电子完全屏蔽,致使附加电子根本不受核电场的吸引作用,所以惰性气体原子很难形成负离子。惰性气体原子的亲合势均为负值(He:-0.53eV;Ne:-1.2eV;Ar:-1.0eV)。 第I族元素的原子最外层只有一个电子,可以形成负离子,但是,原子核对所附加的电子引力作用很小,亲合势为比较小的正值,所形成的负离子极不稳定。 原子型负离子的形成有以下两种形式: 中性原子直接俘获一个电子形成负离子。如:F+e→F-; 在固体表面上形成负离子:当中性原子的亲合势大于金属表面的逸出功()时,中性原子打到金属上,拉出电子而形成负离子。如果激发态原子的激发能与亲合势的和大于金属的逸出功,也能形成负离子。 2、分子型负离子 同原子一样,分子与电子发生碰撞,分子俘获一个电子而形成负离子,并且分子有可能形成激发态的分子型负离子。 3、复合型负离子 当分子型负离子形成后,周围分子受负离子电场的作用,而被极化,形成偶极子。见图4.1。由于异种电荷相互吸引,使极化的分子依附在负离子上,形成附和负离子。附和负离子一方面继续极化其它分子,使附和负离子增大,另一方面,由于碰撞,可使附和负离子失去一部分附着分子,最后达到一种动态平衡。 二、带电粒子的电荷转移过程 放电气体中带电粒子占比例最大的是正离子和电子,所以带电粒子的电荷转移主要是正离子的电荷转移:A++B→A+B+ 我们分别讨论正离子与同类中性粒子的电荷转移和正离子与非同类中性粒子的电荷转移。 正离子与同类中性粒子的电荷转移----平衡谐振电荷转移(共振电荷转移) 在物理学中一种最常用的获得高速中性粒子的方法,就是正离子与同类中性粒子碰撞,从而获得高速运动的中性粒子。 正离子在加速电场作用下得以加速,再与同类中性粒子碰撞,正离子从中性粒子获得一个电子,还原成高速运动的中性粒子,而原来的中性粒子失去一个电子转变为低速运动的正离子: 因为正离子与参与碰撞的中性粒子属于同类粒子(例如H+与H),所以发生电荷转移的几率相当大(碰撞电荷转移截面积达10-16~10-17cm2),这种碰撞电荷转移称为平衡谐振电荷转移, 也称为共振电荷转移。 平衡谐振电荷转移:正离子与同类中性粒子碰撞发生电荷转移,加速的正离子从同类中性粒子中获得一个电子,形成高速运动的中性粒子,而中性粒子失去一个电子变成慢速正离子。由于二者具有相同的电离能,电荷转移不需要吸收或放出能量,容易满足符合能量守恒和动量守恒,所以发生电荷转移的几率很大,这种电荷转移过程称为平衡谐振电荷转移。 实验证明:① 正离子与同类中性粒子发生碰撞时,发生电荷转移的几率往往比弹性碰撞的几率还大,从而导致放电等离子体中中性粒子的平均速度与同类正离子的平均速度

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