Plazmové metody. Základní vlastnosti a parametry plazmatu

Transkript

1 Plazmové metody Základní vlastnosti a parametry plazmatu

2 Atom je základní částice běžné hmoty. Částice, kterou již chemickými prostředky dále nelze dělit a která definuje vlastnosti daného chemického prvku. Atom se skládá z: - atomového jádra obsahujícího protony a neutrony - obalu obsahujícího elektrony Rozměrové poměry v atomu: 2

3 Molekula tedy může vzniknout pouze tehdy, pokud jsou atomy, z nichž se bude skládat, vzájemně přitahovány, takže celková energie molekuly je nižší než energie samostatných atomů. Vazba mezi atomy je založena na elektrické interakci nabitých částic, které tvoří jednotlivé atomy. Síly působící mezi atomy se označují jako výměnné síly. Energie, kterou je molekule nutno dodat, aby došlo k jejímu rozpadu na jednotlivé atomy, se označuje jako disociační energie. Jev rozpadu molekuly při dodání disociační energie pak nazýváme disociací. Příklad : molekula vody H 2 O 3

4 Plazmatický stav látky Dodávání energie do látky v plynném skupenství má za následek zvyšování kinetické energie molekul a při určité teplotě je kinetická energie molekul tak velká, že při vzájemných srážkách molekul se tyto rozdělují na jednodušší částice radikály nebo atomy. Atomy mohou mít kinetickou energii dostačující k vyvolání změn ve struktuře atomového obalu při vzájemných srážkách. Při energiích přesahující ionizační energii W i může být z atomového obalu vytržen některý z valenčních elektronů a dojde k ionizaci atomu. Při nižší energii těchto srážek může atom pouze přejít do nabuzeného (excitovaného) stavu. 4

5 Účinný průřez Pro popis srážek částic a elektronů v plazmatu je důležitou veličinou účinný průřez σ určité interakce (např. srážky částic). Je to velikost plochy, kterou musí částice B projít, aby došlo k interakci s částicí A (např. ke srážce). Pro jednoduchost uvažujme srážku dvou neutrálních kulových částic o poloměrech r A a r B. Je zřejmé (obr.), že částice A se srazí se všemi částicemi B, jejichž střed je od středu částice A ve vzdálenosti d < r A + r B. Pak platí : σ AB =π ( r + r ) 2 A B 5

6 Je-li N A objemová koncentrace částic A, dojde na dráze dx k počtu srážek s částicemi B : N A. σ AB Počet srážek mezi částicemi A a B za jednotku času (časová frekvence srážek) je ν AB =σ AB. N B. v kde v označuje rychlost částice A. Tento popis je ovšem zjednodušený, předpokládáme že částice B jsou nehybné a že mezi částicemi nepůsobí žádné síly. V plazmatu ale jde o interakce nabitých částic s různými rychlostmi. Analytické řešení takových srážek je prakticky nemožné a proto se účinné průřezy určují experimentálně. dx 6

7 Postačuje tepelná energie molekul a atomů k ionizaci plynů? Poměr hustoty iontů a neutrálních atomů určuje Sahova rovnice : 7

8 Pro dosažení dostatečné hustoty iontů jsou proto třeba poměrně vysoké teploty. Např. při teplotě asi K je v dusíku za atmosférického tlaku poměr hustoty iontů n n i n 7.10 Teplota plazmatu však bývá vysoká a ve fyzice plazmatu se proto často užívá vyjádření teploty v odpovídající hodnotě energie : 3 k. T = 1eV T = K Je ovšem nutné dodat, že teplota plazmatu se obvykle nezvyšuje klasickým sdílením tepla, ale energie iontů a elektronů se zvyšuje např. chemickými reakcemi, účinky elektrického pole nebo interakcí plazmatu s proudem fotonů či s elektromagnetickou vlnou. Částice tak získávají kinetickou energii odpovídající energii tepelné za podstatně vyšších teplot než lze dosáhnout pouhým sdílením tepla. 8

9 IONIZACE PLYNU Vznik kladných iontů, kationtů, je podmíněn odtržením jednoho či více elektronů z elektronového obalu, k čemuž je potřeba částici dodat energii, nejčastěji ve formě dopadajícího elektromagnetického záření - fotonů. Vznik záporných iontů, aniontů, je zpravidla způsoben dodáním záporného elektrického náboje - prostřednictvím jednoho nebo více elektronů - do elektronového obalučástice. Minimální energie potřebná k odstranění jednoho elektronu se označuje jako ionizační potenciál (ionizační energie). Je to minimální energie, kterou musí mít dopadajícíčástice, aby mohlo dojít k ionizaci a vytvoření kationtu. Ionizační potenciál se udává v elektronvoltech (1 ev = 1, J). Pro vodík má hodnotu 13,53 ev, kyslík 15,8 ev a rtuť 10,4 ev. Přidáním elektronu k atomu určitého prvku dojde k uvolnění jisté energie, kterou označujeme jako elektronovou afinitu. 9

10 Mechanizmy ionizace : ionizace tepelná : část molekul, která má kinetickou energii vyšší než je ionizační energie atomů plynu může při srážce ionizovat neutrální atom (molekulu) ionizace nárazem : k odtržení elektronu dochází při nárazu iontu nebo elektronu, opět za předpokladu, že je jejich energie vyšší než je ionizační energie ionizačním zářením alfa nebo beta : srážka částice alfa (jádro helia, +2e) nebo částice beta (-e nebo +e) s neutrálním atomem (molekulou) ionizace fotonem: interakce fotonu s elektronovým obalem, předání energie fotonu elektronu 10

11 Elektrony i ionty nabývají kinetické energie účinkem elektrického pole. Zaměřme se nejdříve na elektrony: Přes jejich neuspořádaný termický pohyb (rychlost řádově stovky m.s -1 ) je přeložen řádově pomalejší uspořádaný pohyb proti směru elektrického pole - driftový pohyb. Elektrony ztrácejí energii srážkami s neutrálními atomy i ionty a to má za následek, že rozdělení jejich rychlostí odpovídá Maxwellovu rozdělení. Tomuto rozdělení odpovídá určitá teplota, kterou označujeme jako elektronová teplota T e. Energii dodávanou působením elektrického pole elektrony ztrácejí a předávají ji plazmatu několika způsoby: - srážkami s neutrály ionty, - vyzařováním, - vedením tepla - difúzí z plazmatu. 11

12 Obecně je třeba rozlišovat teplotu plynu a teplotu elektronů. Rychlosti neutrálních částic a iontů se rozdělí podobně jako rychlosti elektronů podle Maxwellova rozdělení a teplotu příslušnou tomuto rozdělení nazýváme teplota plynu. Teplota elektronů a teplota plynu se obecně liší. V podmínkách nízkého tlaku (což nastává u řady průmyslových aplikací plazmatu) lze ukázat, že teplota elektronů je značně vyšší než teplota neutrálního plynu. Příčinou je velký rozdíl mezi hmotností elektronů a hmotností molekul nebo iontů (tři a více řádů). Úvahy o teplotě odpovídající rozdělení rychlostí lze rozšířit i na další částice v plazmatu, zejména ionty, a přiřadit každému druhu částic určitou teplotu. V případě iontů ji označujeme T i.. S rostoucím tlakem se teploty různých částic vyrovnávají a za atmosférického tlaku jsou stejné. 12

13 Elektrická vodivost plazmatu Vnější elektrické pole způsobuje pohyb elektronů i iontů a celkový proud se proto skládá z proudu elektronového a iontového. Přitom se projevuje rozdíl mezi hmotností iontů a elektronů. Schopnost částice reagovat pohybem na elektrické pole se charakterizuje veličinou pohyblivost b : v b= V E [ m. s. ] kde v je rychlost částice a E intenzita pole. Celková hustota proudu tekoucího plazmatem je dána součtem elektronového a iontového proudu: s j = r j e + r j i r = ( en b + en b )E kde n e a n i označují prostorové hustoty příslušných částic a předpokládáme, že ionty mají jeden elementární náboj + e. e e i i 13

14 Rovnici obvykle užíváme ve skalární formě j = ( b n b n ) e E e e + Pohyblivosti částic jsou závislé na řadě parametrů, zejména na tlaku, a je třeba je určovat experimentálně. Znovu zdůrazňujeme, že pohyblivosti iontů jsou řádově nižší než pohyblivosti elektronů. Doba života elektronů a iontů v plazmatu není nekonečná. Protože mají opačné náboje, opět se vzájemně přitahují a spojují se v neutrální molekuly - dochází k rekombinaci iontů. Ionizace a rekombinace probíhají v plynu současně. Převládá-li v určitém okamžiku ionizace, vodivost plynu roste, převládá-li rekombinace, počet iontů klesá a vodivost plynu se zmenšuje. Jakmile přestane působit ionizační činidlo, spojují se ihned ionty kladné se zápornými na neutrální molekuly a vodivost plynu zmizí. i i 14

15 Současně s ionizací plynu probíhá i opačný děj rekombinace iontů. Ionty s opačným nábojem, popř. kladné ionty a elektrony, se spojují a vznikají opět neutrální molekuly plynu. Přestanou-li na plyn působit vlivy, které vedou k ionizaci, nosiče náboje zanikají a plyn se stává nevodivým. Když naopak ionizace plynu trvá, nastane rovnovážný stav mezi ionizací a rekombinací. Počet nosičů proudu je pak relativně stálý a tomu odpovídá určitá elektrická vodivost plynu. Záření plazmatu Připomeneme si : Spektrální čáry vznikající při přechodu z vyššího stavu do nižšího jsou způsobeny vyzářením (emisí) fotonu a označujeme je tedy jako emisní. Emisní čáry lze pozorovat např. při vybuzení plynu prostřednictvím elektrického proudu. 15

16 K přechodu z nižšího stavu do stavu vyššího je nutné atom vybudit (excitovat) prostřednictvím dopadajícího fotonu. Takto vznikající spektrální čáry označujeme jako absorpční. Absorpční spektrálníčáry lze pozorovat např. při průchodu bílého světla plynem, kdy dochází k pohlcování pouze některých vlnových délek. 16

17 Spektrum záření plazmatu má dvě složky : spojitou a diskrétní (čárovou). V nízkoteplotním plazmatu vzniká spojitá složka při změnách rychlostí elektronů v blízkosti iontu nebo při srážkách (Bremsstrahlung) a patří do infračervenéčásti spektra. Záření s určitou vlnovou délkou (čárové spektrum) vzniká při procesech rekombinace, deexcitace, při chemických reakcích apod. Energie záření nalézáme v širokém rozsahu, tj. v IR, UV i viditelnéčásti spektra. Spektrum emitovaného záření obsahuje řadu informací o procesech probíhajících v plazmatu a spektrální analýza záření plazmatu je proto často používána v průmyslových aplikacích pro detekci procesů a jejich regulaci. 17

18 18