Исследование кинетики населенностей атомов в долгоживущих (метастабильных и резонансных) состояниях на примере

Нижние возбужденные состояния атомов можно разделить на две группы: метастабильные и резонансно-возбужденные. Из резонансно-возбужденных состояний атомов возможен излучательный переход в основное состояние с испусканием дипольного фотона, т.е. излучательное время жизни резонансновозбужденных атомов невелико. Для метастабильных состояний атомов излучательный переход в нижние состояния запрещен, т.е. они обладают большим временем жизни по отношению к излучению. [1]

Метастабильные атомы играют исключительную роль в формировании свойств плазмы. В этих состояниях накапливается значительная доля энергии, вводимой в плазму, основной механизм ионизации – электронным ударом – обусловлен их присутствием в плазме, они являются непосредственным источником появления заряженных частиц вследствие парных столкновений, наконец, источником заселения возбужденных состояний атомов –партнеров по столкновениям вследствие передачи возбуждения.

Мне хотелось бы познакомить вас с экспериментом в Ne, чтобы продемонстрировать, с одной стороны, сложность решения задачи, и с другой – возможность ее решения при правильном подходе. Заметим, что тяжелые инертные газы имеют отличное от Не строение возбужденных уровней, поскольку внешняя оболочка содержит р - электроны. Поэтому при устранении одного р - электрона из замкнутой оболочки 2р⁶ возможно образование двух ионных состояний: 2_Р1/2 и 2р_3/2 , причем последний лежит заметно глубже. (В частности, это говорит о том, что у атомов инертных газов существуют автоионизационные возбужденные состояния). Прибавляя к этим ионным состояниям один электрон, можем получить набор термов, стремящихся к двум пределам 2_Р1/2 и 2_Рз/2.

( Рис.1 , на котором представлено изменение разницы энергий (расстояний между термами Р⁵п$2_Рз/2 и P⁵ns2_P1/2 ). ТО, термы 1_Р1 и 3_Ро относятся к иону ² Р 1/2 .» ³ Р 2 и 3_Р1 _ к иону 2_Рз/2. Упоминание об этом вот зачем. При теоретическом анализе вероятностей электронно-стимулированных переходов между возбужденными уровнями получен следующий результат: переходы между уровнями, относящимися к различным ионным состояниям , или, как говорят, с изменением полного момента атомного остова, значительно менее вероятны .

Этот вывод требует экспериментального подтверждения, которое может быть получено, в частности, при анализе процессов в неоновой плазме.

Схема уровней первой возбужденной конфигурации 2Р53$ (Рис.2) такова, что, в силу близости уровней имеет место их эффективное «перемешивание» при взаимодействии с электронами, которое в значительной степени определяет скорость разрушения обоих метастабильных 3Ро и 3р состояний за счет переходов в резонансные состояния 1Р1 и 3Р1   соответственно. По этой же причине в кинетике населенностей этой группы уровней не разобраться, если не анализировать их совместно в одном эксперименте Мы изучаем смесь Не — Ne. Смысл добавления гелия в том, что Не обладает меньшей массой и большим сечением упругого рассеяния электрона, так что релаксация температуры электронов при изменении напряженности «подогревающего» электрического поля происходит намного быстрее, чем в Ne, что позволяет осуществить такой режим измерений, когда время установления значительно меньше характерных времен изменения плотностей электронов и метастабильных атомов в распадающейся плазме. [3]

Поэтому первая задача - измерение n_e(t) в распадающейся плазме.

Условия эксперимента (давления компонентов смеси Не — Ne , плотность электронов п _е ) таковы, что есть основания полагать, что в стадии распада плазмы реализуется механизм диссоциативной рекомбинации: Ne + + е ^ Ne* + Ne причем плотность молекулярных ионов равна плотности электронов [Ne + ] = n _e . Но тогда распад плазмы описывается простым урванением: [2]

^ = —an’ ^ ne(t) = dt        е     е      1 + ane(t = 0).t

Где t = 0 — время начала стадии распада плазмы , a — коэффициент ДР . вторая задача - изучение распада уровней 3_Ро, 3_Р1, и 3р₂ .

Распад уровней 3_Ро,3 _Р1 и   3 р происходит по следующим причинам

( рис.3 ) [3] :

Для уровня 3 p_Q :

1)электронные столкновения:

Ne (3 _Ро ) + е ^ Ne (3 _Р1 ) + е теоретически невозможен но требует проверки в эксперименте

Ne (3_Ро) + е ^ Ne (3 _p ) + е теоретически невозможен но требует проверки в эксперименте

Ne (3_Ро) + е ^ Ne (lp_t) + е теоретически возможен!

2)трехчастичная реакция конверсия:

Ne (3Ро) + Ne + Ne ^ Ne2+ Ne

Ne (3 _Ро ) + Ne + He ^ Ne 2 + He 3)атомные столкновения:

Ne (3Ро) + Ne ^ Ne (3Р2) + Ne

теоретически возможен

Ne (3Ро) + He ^ Ne (3Р2) + He

теоретически возможен

Ne (3Ро) + Ne ^ Ne (3Р1) + Ne

теоретически возможен

Ne (3Ро) + He ^ Ne (3Р1) + He

теоретически возможен

4)пенинговская ионизация:

Ne (3 _Ро ) + Ne (3 _Р2 ) + ^ + Ne ⁺ + е , Ne + + е

Ne (3 _Ро ) + Ne (3 _Р1 ) + ^ Ne⁺ + Ne +e , Ne + + е

Ne (3Ро) + Ne (3Р^) + ^ Ne++ Ne +e , Ne+ + е

5)обратные процессы электронных ударов:

Ne (3Р1) + е ^ Ne (3Ро) + е

Ne (3Р2) + е ^ Ne (3Ро) + е теоретически невозможен, но требует проверки в эксперименте

Ne (1_Р1) + е ^ Ne (3_Ро) + е Возможен или невозможен - эти термины принципиального характера, следующие из теории. Тот факт, что мы этот процесс не учитываем есть следствие малости населенности Ne (1_Р1)..

6)диссоциативная рекомбинация:

Ne + + e ^ Ne* + Ne (Ne * = Ne (З _Ро )). Считаем, что на З _Ро идет % всего потока рекомбинации, т.е. поток делится поровну на все уровни 2Р⁵З$.

• 7)    резонансный переход в основное состояние: невозможен

• 8)    диффузия атомов на стенке .

тогда распад уровня ЗРо  описывается следующим дифференциальным уравнением:

^Р2] = -Пе(*01 + *02 + *01)[Зр„] — [3p0]([Ne]2^! + [Ne][He]/?2) — [3po](*oW2e[Ne] + OHeY) - ^WiTNe] + T He - [ЗРо][ЗР> - [ЗРо][ЗР1]^<1 - [ЗРоПЗРо]^2

[З _Р1

^{+ n}e (k io^[3pJ ⁺ * 20^[ЗР₂^{]) +} « 3^1 ^- “--- ^{0        T}Diff

Для уровня З _Р1 :

1)электронные столкновения:

Ne (ЗР1) + e ^ Ne (ЗР2) + e

Ne (ЗР1) + e ^ Ne (ЗРо) + e теоретически невозможен, но требует проверки в эксперименте

Ne (ЗР1) + e ^ Ne (1Р1) + e теоретически невозможен, но требует проверки в эксперименте

2)трехчастичная реакция конверсия:

Ne (ЗР1) + Ne + Ne ^ Ne2 + Ne

Ne (ЗР1) + Ne + He ^ Ne2 + He

3)атомные столкновения:

Ne (ЗР1) + Ne ^ Ne (ЗР2) + Ne

Ne (ЗР1) + He ^ Ne (ЗР2) + He

4)пенинговская ионизация:

Ne (З _Р1 ) + Ne (З _Р1 ) + ^ Ne ⁺ + Ne + e , Ne + + e

Ne (3Р1) + Ne (3Р2) + ^ Ne++ Ne + e , Ne+ +

Ne (3Р1) + Ne (3Po) + ^ Ne++ Ne + e , Ne+ +e

5)обратные процессы электронных ударов:

Ne (Зр) + e ^ Ne (3Р1)+

Ne (3Pq) + e ^ Ne (3Р1) + e теоретически невозможен, но требует проверки в эксперименте

Ne (1_Р1) + e ^ Ne (3_Р1) + e теоретически невозможен, В обработке эксперимента не учитывается, т.к. населенность Ne (1_Р1) много меньше населенности остальных трех уровней 2P⁵3s , на что указывают экспериментальные данные измерений поглощения на линии 5852 А°.

6)диссоциативная рекомбинация:

Ne + + e ^ Ne* + Ne (Ne * = Ne (3_Р1)) Считаем, что на 3_Ро идет % всего потока рекомбинации, т.е. поток делится поровну на все уровни 2P⁵3s .

• 7)    резонансный переход в основное состояние:

Ne (3 p i ) ^ Ne ( 1 _{S q} ) + hu

• 8)    диффузия атомов на стенке .

тогда распад уровня 3Р1 описывается следующим дифференциальным уравнением:

^^ = ^- ^ е (^ 10 ^{+ к}12 ^{+ к}11⁾ [ ³Р₁ ] - [ ³P₁ ]([ ^{Ne] 2}^ 1 ⁺ E ^Ne] [^ ^e] ^ 2 )

• -    ^[3p₁^]( fc ^2 ^{e [Ne]} + kJ^H^) ^{- [3}pj^[3p₂ ] ^kt - ^[3Р₁^][3Р₁^] ^ 11

• -    ^[3P₁^][3P₀^] ^ t2 ⁺ ™ e ( ^k21^[3P₂^{] + к}01 [ ³Р₀^{]) + а}3_Р .^ е -     ¹

Tres

[3 р 1 ] —

TDtff

Для уровня 3 _Р2 :

1)электронные столкновения:

Ne (3Р2) +e ^ Ne (3Р1) + e

Ne (З _р ) + e ^ Ne ( 3 _Pq ) + e теоретически невозможен, но требует проверки в эксперименте

Ne (Зр) + e ^ Ne (1Р1) + e теоретически невозможен но требует проверки в эксперименте

2)трехчастичная реакция конверсия:

Ne (Зр) + Ne + Ne ^ Ne2 + Ne

Ne (Зр) + Ne + He ^ Ne2 + He

3)атомные столкновения:

Ne (Зр) + Ne (He) ^ Ne (ЗР1) + Ne (He)

^ Ne (Зр) + Ne (He)

^ Ne (1p) + Ne (He)

Возможны все эти процессы, просто скорости процессов, требующих большой (по сравнению с кинетической энергией атомов), например, Ne (З р ) + Ne (He) -> Ne (З_р) + Ne (He) много меньше скоростей обратных процессов (например, Ne (З_р) + Ne (He) -> Ne (Зр) + Ne (He))

4)пенинговская ионизация:

Ne (Зр2) + Ne (Зр1) +

Ne (Зр2) + Ne (Зр2) +

Ne (Зр2) + Ne (Зр0) +

Ne++ Ne + e , Ne+ + e Ne++ Ne + e , Ne+ + e Ne++ Ne + e , Ne+ + e

5)обратные процессы электронных ударов:

Ne (ЗР1) + e ^ Ne (ЗРг) + e

Ne (З_р) + e ^ Ne (З р ) + e теоретически невозможен

Ne (1 _Р ) + e ^ Ne (З р ) + e (невозможен) теоретически невозможен но требует проверки в эксперименте. В обработке эксперимента не учитывается, т.к. населенность Ne (1_Р1) много меньше населенности остальных трех уровней 2Р⁵З5, на что указывают экспериментальные данные измерений поглощения на линии 5852 А°.

6)диссоциативная рекомбинация:

N e + + e ^ Ne* + Ne ( Ne* = Ne (3 р ))- не только Зр₂ , но и остальные уровни 2р⁵35 . Считаем, что на Зр₂ идет % всего потока рекомбинации, т.е. поток делится поровну на все уровни 2P⁵3s .

Ne + + e ^ (а з Н Ne (3 р ) + Ne ^р 2                 ²

Ne + + e ^ (а з_Р1 ) ^ Ne (3 р₁ ) + Ne

Ne + + e ^ (« 3 p_Q ) ^ Ne (3 p₀ ) + Ne