等离子体电子工程(9)-原子的激发与电离

《等离子体电子工程(9)-原子的激发与电离》由会员分享，可在线阅读，更多相关《等离子体电子工程(9)-原子的激发与电离（10页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、2.4 原子的激发与电离 2.4.1 原子的内能 上一节我们提到，粒子发生非弹性碰撞时，动能和内能都会发生变化。这里我们先来考虑原子的内能。从把电子视为粒子的经典力学的角度看， 原子中带负电荷的电子围绕着带正电荷的原子核作圆周运动，离心力和库仑力是作用于电子的一对平衡力。当原子受到外来电子的碰撞时，原子核会获得一定的动量，原子的整体平均速度也相应改变。如果碰撞过程中绕核旋转的电子直接得到能量，那么电子就会跳到离核较远的轨道上运动（激发碰撞） 。这意味着原子内能的增加。这种情况下，碰撞损失的能量越多，电子的运动轨迹离核越远，电子最终有可能克服库伦引力而离开原子，成为自由电子。这样，原子就分解为自

2、由电子和正离子（电高碰撞） 。这种经典的说明有助于定性地理解原子的内能， 但定量讨论还需要借助于认为电子具有波动性的量子力学。 在量子力学中，原子中电子的状态由四个量子数决定，内部的能量状态只能取若干个离散的量子化数值。另外，由于两个电子不能处于相同的能级状态，所以能量最低的稳定状态（基态）就是电子从低能级的轨道（壳层）开始，按顺序逐级填充的能量分布状态。例如，氖原子（Ne）的基态就是 10 个电子把主量子数0 2n 的三个壳层（1s，2s，3p）全部填满，电子的状态可以表示为2261 22ssp。以基态作为能量的比较基准（零） ，更高能量状态（激发态）的能级分布如图 2.8 所示。3s轨道上

3、有四种激发态，上层的 3p 轨道上有六种激发态。更高的轨道还有 3d，4s，4p， 图 2.8 氖原子的能级图 无限地增大量子数，达到最高能级 21.55eV。这个最高能量相当于基态的氖原子发生电离所需要的最小能量（电离能，IeV） ，以伏特作为单位的IV被称为电离电压。由此可见，当电子和氖原子碰撞时，只有电子的动能大于电离能才会使氖原子电离成正离子Ne和自由电子。电离过程可表示为 （1）电离过程：(21.55)eNeNeeeeV 2.4.2 电子和光子引起的原子激发 先来看电子与基态的静止氖原子发生碰撞的情形。 由图2.8可知，最低的激发态能级为 16.54eV。如果电子动能小于此值，则只发

4、生弹性碰撞，能量转化为原子的平均动能。如果 Ne 原子碰撞的电子动能大于 16.54eV，则六个最外层电子中的一个就会移到 3s 轨道，氖原子就处于激发态（用*Ne表示） 。这种非弹性碰撞可用反应式表示为 （2）激发过程：*(16.54)eNeNeeeV 通常，激发态原子是不稳定的，寿命极短（数纳秒至 50 纳秒） ，它会以辐射光子的形式放出能量恢复到基态（退激） 。在上述的例子中，退激时辐射出的光子能量相当于 Ne 原子激发态的能量 16.54eV，对应波长74.3nm（光子的能量/hhc， 其中 h 为普朗克常数） 。（注：微观中表示频率，后面不再用f表示，v表示速度，注意不要混淆）这时辐

5、射出的光为不可见的紫外线，但当电子由 3P 轨道下降到 3s 轨道时，由于能量差较小，所以会向外辐射波长约为 700nm的红色可见光。霓虹灯利用氖气放电发出鲜艳的红光鲜艳的红光，就是利用了这一能级跃迁原理。 等离子发光光谱的谱线波长是原子所固有的， 所以我们可以由谱线的波长和强度来判断等离子体中粒子的种类和密度 （等离子体发射光谱测量） 。当受到能量为两个能级差()E hE 的光子照射时，原子便会因共振而从低能级被激发到高能级（当hE 时，光子能量过大，不会发生激发） 。利用这一特性，如果能测定等离子体被光照射后所吸收的光的波长和强度， 就能知道等离子体中粒子的种类和密度（等离子体吸收光谱测量

6、） 。除此之外，用可调波长的激光将原子激发至高能级，通过测定其下降至低能级时发出的光（荧光）的办法也可以用于等离子体诊断（激光荧光光谱法） 。 我们把上述的原子吸收光子、 辐射光子而导致的能级变化称为跃迁。并非任意能级间都能发生跃迁，满足选择定则的跃迁称为容许跃迁，反之为禁戒跃迁。如图 2.8 所示的3 216.62(3)eVP和3 016.72(3)eVP这两个能级就不满足向基态跃迁的选择定则， 所以不可能发生从这两个能级向基态的光辐射跃迁。相反，也不可能通过吸收光子能量来从基态激发至这两个能级。 像这样不能通过光辐射自发地向基态跃迁的能级称为亚稳态能级（metastable level）

7、。用伏特来表示该能级与基态能级间的能量差，就是亚稳态电压mV。虽然吸收光子无法使原子从基态激发到亚稳态能级，但电子碰撞却可以实现这种激发 （3）激发至亚稳态：*(16.62)meNeNeeeV 这里，*mNe为亚稳态原子（metastable atom） 。 一旦上升到亚稳态后就不可能自发地向基态跃迁， 所以亚稳态原子的寿命比较长（410 s至数秒） 。致使原子离开亚稳态的几种可能情况是，与其它粒子发生碰撞，吸收光子先跃迁到通常的激发态后释放光子，或者是和其它原子、分子进行非弹性碰撞，以及与器壁发生碰撞等等。 亚稳态原子在放电等离子体中经常起着重要的作用。 一个很有名的例子就是潘宁（Penni

8、ng）于 1937 年发现并以其名字命名的潘宁效应。他在试验中发现，50mTorr 氖气的直流放电着火电压约为 800V的高电压，但向其中掺入 0.1%氩，着火电压便会降至原来的 1/4。这种潘宁效应就是由氖气的亚稳态原子所致，下面我们来说明。与氖原子碰撞的电子的动能只有大于21.55eV才可能发生如（1）所示的电离过程，所以必须提高电压、增大压强才能使其开始放电。但是，生成亚稳态原子的过程（3）中需要的能量比电离能低，只需16.62meV。由于m高于氩原子的电离能15.75ieV，所以当亚稳态的氖与氩相碰时，很容易通过下式的反应而使氩电离。 （4）亚稳态原子产生的电离：* mNeArNeAr

9、e 这是混入少量氩气容易引起放电的原因。向数 Torr 的氩气中充入数 mTorr 的 Hg 蒸汽的荧光灯放电着火就是利用了潘宁效应。Ar的亚稳态能级（3 211.5:4eVP以及3 011.7:4eVP）比汞的电离电压（10.4eV）高，电离过程与（4）相似。另外，在等离子体显示技术中，潘宁效应也起着重要的作用。 当电子与亚稳态原子碰撞时，电子有可能获得原子势能meV而被加速。我们把电子从碰撞对象获得动能的这种碰撞称为超弹性碰撞。 图2.9表示了电子与氩原子碰撞时引起激发或电离的难易程度的指数碰撞截面。其中，为了便于比较，我们还将图 2.6 中表示冉邵尔效应的弹性碰撞截面以对数形式画出。 激

10、发电压和电离电压的数值参见附录 I。 图 2.9 氩的碰撞截面 补充补充：原子的内部状态和光谱标记原子的内部状态和光谱标记 原子中电子的状态可由n、l、lm、sm即主量子数、角量子数、磁量子数、自旋量子数四个量子数来描述。这里n、l、lm为整数（1ln ，lml，1/ 2sm ） 。主量子数n决定了电子的能量，对于同一个n存在由不同的l、lm、sm所构成的22n种不同的电子状态。当l给定后，就可以确定轨道总角动量轨道总角动量Ll。这里，我们把具有0,1,2,3l 的电子分别叫做s，p，d，f电子。根据泡利不相容原理，两个电子不可能同时处于相同的电子状态。由此，能量最低状态（基态）下的氢、氧、氩

11、各原子的电子的壳层分布分别为1s，2241 22ssp、226261 223 3sspsp。 右上角的数字代表电子数目， 例如62p就表示2n ，1l 的亚层上有 6 个电子，基态原子的最外面的亚层上的电子（最外层电子）叫价电子，它们在原子发生化学反应中起重要作用。对此，我们用所有价电子的l之和的轨道总角动量L和所有价电子的sm之和的自旋总角动量Ss来描述这种原子状态。自旋总角动量 S 的能量状态被称为（2S+1）的重简并状态（如 s=1 对应 3 重简并） ，它们集中在能量差异很小的能级之中。为了描述原子能级的精细结构，我们把 L 和 S 的矢量和定义为原子的总角动量 J。 2.4.3 原子

12、的电离 原子的电离过程大致可分为以下五种： （1）2eXXe（电子碰撞电离） （2）* mXYXYe（亚稳态原子产生电离） （3）XYXYe（离子碰撞电离） （4）XYXYe（中性粒子碰撞电离） （5）hXXe（光电离） 其中，X，Y 为中性原子，* mX为亚稳态原子，,XY为正离子，e 为电子，h为光子。这几种电离过程，前面已经阐述了（2）的亚稳态原子产生的电离（亚稳态原子间的相互碰撞也可以产生电离） 。关于（1）的电子碰撞电离，像前面讲过的那样，当碰撞电子的能量高于电离能IeV（第一电离电压）时，原子中最外层的电子（价电子）就会挣脱原子核的束缚而产生电离。但是，如果碰撞电子的能量特别高，

13、就有可能引起低能轨道电子的激发。 通常， 这一激发能级要比IeV高，非常不稳定，瞬间就会自发地电离。我们把这种电离称为自动电离。另外，正 1 价的离子在电子的碰撞作用下也会失去一个电子而变成正 2 价的离子。这种电离所需的能量如果用电压单位表示，就是第二电离电压。 超高温核聚变等离子体中原子几乎是失去所有的轨道电子，即发生完全电离而生成多价电子。另一方面，弱电离等离子体中的亚稳态原子的电离也不容忽视。其原因是（1）中的 X 为亚稳态原子的时候，其电离所需的阈值能量（ImeVeV）较低，所以电离效率较高。 （3）和（4）是由基态重粒子间碰撞所产生的电离。这类电离一般比电子碰撞电离难发生，需要的碰

14、撞能量在数百电子伏以上。其原因可由公式（2.32）得知，质量为 M，动能为的离子即使与质量为m 的电子（最外层电子）碰撞，也只能把很小的一部分动能（m/M）传递给电子。所以，对于通常的弱电离等离子体来说，这类电离是可以忽略的。但是，在高温、高压强的气体中， （4）是一个重要的电离过程，被称为热电离（thermal ionization） 。例如，在大气中的火焰或者气体温度达数千度以上的电弧等离子体中， 能够生成引起电离的高速中性粒子， 可以产生由热运动导致的碰撞电离。 有关这种热电离，将在 5.3.3 小节中详细说明。 前面已经讲过，只有光子的能量恰好等于原子的能级差，才会引起原子的激发。而（

15、5）的光电离是把电离后多余的光子能量转化为电离出的电子的动能。所以，当原子遇到能量大于电离能的短波长光子的时候，光电离是经常可能发生的。一般情况下，放电等离子体只发出很少量的紫外线，所以与电子碰撞电离相比，光电离是可以忽略的。当然，在光电场的强度很高的情况下，也存在其它的电离机制。 2.4.4 电荷交换碰撞 下面说明弱电离等离子体中经常发生的电荷交换碰撞。举例来说，正离子A和原子B碰撞，发生反应 ABAB 生成原子 A和正离子B。 因为 A 和 B 在碰撞时彼此交换了电荷，所以称为电荷（带电交换）交换碰撞。在这个过程中，正离子A向原子 B 靠近时，在库伦势能场的作用下，原子 B 的价电子会被夺

16、走而移至 A。也就是说，带负电荷的电子由 B 转移到 A，从而引起电荷交换。如果 A 和 B 是相同的原子，那么碰撞前后价电子的能级并没有变化，也即碰撞双方总内能不变。这种相同粒子间的共振电荷交换的碰撞截面较大，可达弹性碰撞截面的 2 倍。还有，电荷交换不仅可以由ArAr这样的离子-原子碰撞所引起，也可以由离子-分子碰撞所产生，例如4ArCH或4ArSiH等。 在磁约束核聚变研究中， 加热等离子体是通过注入高速中性粒子来实现的， 这种高速中性离子束就是利用了中性粒子与离子间的电荷交换碰撞来产生的。这时，用电场加速氢离子后再使其通过氢气，经过电荷交换过程就可以生成高速的氢原子束。 对于高速运动时的电荷交换，负离子H的碰撞截面要比正离子H的大，所以经常使用负离子，由以下的反应过程 HHHH（高速） （低速）（高速）（低速） 便可生成能量高达 100keV 的氢