атомные, элементарные акты соударения двух атомных частиц (атомов, молекул, электронов или ионов). С. а. делятся на упругие и неупругие. При упругом С. а. суммарная кинетическая энергия соударяющихся частиц остаётся прежней - она лишь перераспределяется между частицами, а направления движения частиц меняются. В неупругом С. а. изменяются внутренние энергии сталкивающихся частиц (они переходят на другие уровни энергии ) и соответственно не сохраняется их полная кинетическая энергия. При этом меняется электронное состояние атома либо колебательное или вращательное состояние молекулы (см. Молекулярные спектры ) .
Упругие С. а. определяют переноса явления в газах или слабоионизованной плазме. Свободному движению частиц препятствуют испытываемые ими С. а. - акты рассеяния на других частицах. Наиболее существенно на перемещение частицы влияют те акты рассеяния, в которых направление её движения заметно меняется. Поэтому коэффициенты диффузии (перенос частиц), вязкости (перенос импульса), теплопроводности (перенос энергии) и другие коэффициенты переноса газа выражаются через эффективное поперечное сечение (ЭФП) рассеяния атомов или молекул этого газа на большие углы. Аналогично подвижность ионов (см. Подвижность ионов и электронов ) связана с ЭФП рассеяния иона на атоме или молекуле газа на большие углы, а подвижность электронов в газе или электропроводность слабоионизованной плазмы - через ЭФП рассеяния электрона на атоме или молекуле газа.
Сечение упругого рассеяния атомов или молекул на большой угол при тепловых энергиях частиц называется газокинетическим сечением; оно имеет величину порядка 10-15 см2 и определяет длину свободного пробега частицы в среде.
Упругое рассеяние на малые углы может влиять на характер переноса электромагнитного излучения в газе. Энергия проходящей через газ электромагнитной волны поглощается и затем переизлучается атомами или молекулами газа. При этом даже слабое взаимодействие излучающей частицы с другими (окружающими её) частицами 'искажает' испускаемую волну, т. е. сдвигает её фазу или частоту. При некоторых условиях основные характеристики распространяющейся в газе электромагнитной волны определяются упругим рассеянием взаимодействующих с ней атомов или молекул на окружающих частицах, причём существенным оказывается рассеяние на малые углы.
Процессы неупругих С. а. весьма разнообразны. Перечень неупругих процессов, которые могут происходить в газе или слабоионизованной плазме, приведён в таблице. В различных лабораторных условиях и явлениях природы главную роль играют те или иные отдельные неупругие процессы соударения частиц. Например, излучение с поверхности Солнца обусловлено большей частью столкновениями между электронами и атомами водорода, при которых образуются отрицательные ионы водорода (табл., пункт 26). Основной процесс, обеспечивающий работу гелий-неонового лазера (см. Газовый лазер ) , - передача возбуждения атомами гелия, находящимися в метастабильных состояниях , атомам неона; основной процесс в электроразрядных молекулярных газовых лазерах - возбуждение колебательных уровней молекул электронным ударом (табл., пункт 3; в результате этого процесса электрическая энергия газового разряда частично преобразуется в энергию лазерного излучения). В газоразрядных источниках света основными процессами являются: в т. н. резонансных лампах - возбуждение атомов электронными ударами (табл., пункт 2), а в лампах высокого давления - фоторекомбинация электронов и ионов (табл., пункт 24). Спиновый обмен (табл., пункт 7) ограничивает параметры квантовых стандартов частоты , работающих на переходах между состояниями сверхтонкой структуры атома водорода или атомов щелочных металлов (табл., пункт 9). Различные неупругие процессы С. а. с участием радикалов свободных , ионов, электронов и возбуждённых атомов определяют свойства атмосферы Земли, причём на различных высотах преобладают различные процессы.
Неупругие процессы столкновений с участием атомных частиц и фотонов
Пункты
Тип атомного столкновения
Схема процесса
1.
Ионизация при столкновении атомов и молекул
A + B- A + B+ + e
2.
Переход между электронными состояниями
3.
Переход между колебательными или вращательными состояниями молекул AB (v) + C - AB (v-) + C
e + AB (v) - e + AB (v-)
AB (J) + C - AB (J-) + C
e + AB (J) - e + AB (J-)
(v - колебательное квантовое число, J - вращательное квантовое число молекулы)
4.
Химические реакции
5.
Тушение электронного возбуждения B* + AC (v) - B + AC (v-)
6.
Передача возбуждения A + B* - A* + B
7.
Спиновый обмен (при сохранении проекции полного спина атомов изменяется проекция спина у каждого из них)
8.
Деполяризация атома (изменяется направление орбитального момента одного из сталкивающихся атомов)
9.
Переходы между состояниями тонкой и сверхтонкой структуры одного из сталкивающихся атомов или молекул
10.
Ионизация атома или молекулы электронным ударом e + A - 2e + A+
11.
Диссоциация молекулы электронным ударом e + BA - e + A + B
12.
Рекомбинация при тройных соударениях e + B+ + B (e) - A + B (e)
A- + B+ + C - A + B + C
13.
Диссоциативная рекомбинация e + AB+ - A + B
14.
Диссоциативное прилипание электрона к молекуле
e + AB - A- + B
15.
Прилипание электрона к молекуле при тройных соударениях
e + A + B - A- + B
16.
Ассоциативная ионизация
A + B - AB+ + e
17.
Эффект Пеннинга (атом А* находится в метастабильном состоянии, причем энергия его возбуждения превышает ионизационный потенциал атома В)
A* + B - A + B* + e
18.
Взаимная нейтрализация ионов
A- + B+ - A + B
19.
Перезарядка ионов
A + B+ - A+ + B
20.
Ион-молекулярные реакции
A+ + BC - AB+ + C
A+ + BC - AB + C+
21.
Разрушение отрицательного иона
A- + B - A + B + e
A- + B - AB + e
22.
Превращение атомных ионов в молекулярные
A+ + B + C - AB+ + C
23.
Фотовозбуждение атома или молекулы (с последующим спонтанным излучением возбужденного атома)
·w + B - B*
24.
Фоторекомбинация и фотоионизация
25.
Фотодиссоциация и фоторекомбинация атомов и радикалов
26.
Радиационное прилипание электрона к атому
e + A - A- + ·w
Примечание: А, В и С обозначают атом или молекулу; В* - электронно-возбуждённый атом или молекулу; е - электрон; А* - положительно заряженный ион; А - отрицательно заряженный ион; ·w - фотон. Стрелки характеризуют направление процесса.
Лит.: Мак-Даниель И., Процессы столкновений в ионизованных газах, пер. с англ., М., 1967; Смирнов Б. М., Атомные столкновения и элементарные процессы в плазме, М., 1968; его же, Ионы и возбужденные атомы в плазме, М., 1974; Хастед Дж., Физика атомных столкновений, пер. с англ., М., 1965.
Б. М. Смирнов.