Ионизационное равновесие. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Ионизационное равновесие - стационарное состояние ионизованного газа (плазмы), при к-ром каждой кратности ионизации соответствует вполне определённая доля полного числа атомных частиц. И. р. устанавливается в стационарных условиях за счёт баланса совокупности прямых и обратных процессов - ионизации и рекомбинации ионов и электронов. В большинстве лаб. и астрофиз. источников плазмы И. р. определяется гл. обр. столкновениями атомов и ионов с электронами. В этом случае взаимно обратными процессами являются:
1) ионизация электронным ударом (процесс указан стрелкой слева направо) и трёхчастичная безызлучат. рекомбинация (стрелка справа налево):

2) радиац. двухчастичная рекомбинация (стрелка слева направо) и фотоионизация:

(е - электрон; A_Z - ион с зарядом Z; v - частота излучаемого фотона). Радиац. двухчастичная рекомбинация включает в себя прямую излучат, рекомбинацию, при к-рой избыток энергии уносится фотоном, и диэлектронную рекомбинацию - резонансный процесс, в к-ром избыток энергии идёт на возбуждение иона А_Z и электрон захватывается на к--л. уровень, а затем уже ион A_Z-1 испускает фотон (подробнее см. Диэлектронная рекомбинация ).Процесс фотоионизации (2, стрелка справа налево) включает соответственно прямую ионизацию и возбуждение автоионизационных состояний. Вероятность процессов фотоионизации пропорциональна плотности фотонов, а т. к. в обычных условиях без наличия мощных внеш. источников излучения с частотой выше пороговой она мала, то в большинстве случаев фотоионизацией в балансе процессов ионизации и рекомбинации можно пренебречь. Вероятности процессов ионизации электронным ударом и радиац. рекомбинации пропорциональны плотности электронов n_е, а вероятность трёхчастичной ионизации пропорциональна n_e². Обычно в стационарной плазме баланс процессов ионизации и рекомбинации приводит к И. р., описываемому след, системой ур-ний:

где n_Z - плотность ионов с зарядом Z; Cⁱ_Z-1 - ср. скорость ионизации иона A_Z-1 электронным ударом; (_Z - скорость радиац. рекомбинации с образованием иона A_Z-1; R_Z - скорость трёхчастичной рекомбинации с образованием нона А_Z-1. [Указанные скорости соответствуют сечениям процессов (1) и (2), усреднённым по распределению электронов но скоростям, к-рое предполагается максвелловским.] Как видно из (3), в И. р. плазмы в зависимости от её плотности будет преобладать тот или иной тип рекомбинации. При высокой электронной плотности трёхчастичная безызлучат. рекомбинация [второй член в правой части (3)] преобладает над радиац. рекомбинацией. В этом случае И. р. обусловлено балансом двух взаимно обратных процессов (1). Использование связи между G_Z-1 и R_Z, вытекающей из принципа детального равновесия (см. Детального равновесия принцип ),приводит тогда к известной Саха формуле, определяющей n_Z для низкотемпературной плазмы. Однако для высокотемпературной плазмы (T/10⁶К), содержащей многозарядные ионы (Z/10), этот случай соответствует электронной плотности n_е>10²³ см^-3, превышающей даже плотность твёрдого тела. Обычно же плотность высокотемпературной плазмы на несколько порядков меньше и в ней реализуется противоположная ситуация: преобладают процессы радиац. рекомбинации (при n_е~10²¹ см^-3 и ниже), а второй член правой части (3) становится несущественным. Действительно, в случае "обычных" плотностей плазмы вероятность столкновения трёх частиц намного меньше, чем двух, а в случае низких плотностей трёхчастичная рекомбинация - редкое событие и И. р. определяется балансом ударной ионизации и двухчастичной рекомбинации. Это хорошо реализуется в условиях солнечной короны (n_е~10¹⁴ см^-3), поэтому такое И. р. получило назв. коронального предела. Обозначив

получим из (3) в случае коронального предела выражение для относит, концентраций ионов:

Относит, концентрация ионов не зависит (в явном виде) от плотности электронов. Пример расчёта И. р. для ионов кислорода в этом случае дан на рис. 1. Каждая

Рис. 1. Относительные концентрации ионов кислорода с различным зарядом (z=l48) в зависимости от температуры при малых значениях плотности электронов (корональный предел).

кривая относит, концентрации при Z>1 сначала растёт с ростом температуры за счёт ионизации ионов с Z'<Z, a затем убывает при дальнейшем росте Т за счёт ионизации ионов более высокой кратности. При плотности n_е>10¹⁴ см^-3 также можно использовать результат (5), при этом, однако, относит, концентрации ионов уже имеют определ. зависимость от плотности электронов. Она вызвана столкновениями электронов с рекомбинирующими ионами в процессе диэлектронной рекомбинации, что приводит к появлению зависимости величины (_Z от n_е в (4), т. е. к отклонению от чисто коронального предела. На рис. 2 сопоставлены эксперим. и теоретич. результаты для относит, концентраций ионов железа, образующихся в плазме (Т_е~1,3^.10⁶ К) при фокусировке лазерного излучения на поверхность твёрдого тела [2]. Точки - эксперим. данные. Пунктирная кривая - расчёт в пренебрежении зависимостью скоростей диэлектронной рекомбинации от плотности электронов. Сплошная кривая вычислена с учётом зависимости скоростей диэлектронной рекомбинации от плотности электронов при n_e=10²⁰ см^-3.

Рис. 2. Относительная концентрация ионов железа в лазерной плазме.

Приведенные результаты относятся к пространственно однородной плазме. При отклонении от однородности в И. р. необходимо учитывать ряд дополнит, факторов. К ним относятся: граничные эффекты, температурная неоднородность плазмы, наличие кластерных ионов; в плазме с магн. удержанием - явление диффузии. Сдвиг И. р. может осуществляться и за счёт хим. неоднородности низкотемпературной плазмы. Во всех перечисл. случаях приведённые выше результаты могут применяться в качестве нач. приближения при анализе кинетики плазмы.

Литература по ионизационному равновесию

Знаете ли Вы, в чем ложность понятия "физический вакуум"?

Физический вакуум - понятие релятивистской квантовой физики, под ним там понимают низшее (основное) энергетическое состояние квантованного поля, обладающее нулевыми импульсом, моментом импульса и другими квантовыми числами. Физическим вакуумом релятивистские теоретики называют полностью лишённое вещества пространство, заполненное неизмеряемым, а значит, лишь воображаемым полем. Такое состояние по мнению релятивистов не является абсолютной пустотой, но пространством, заполненным некими фантомными (виртуальными) частицами. Релятивистская квантовая теория поля утверждает, что, в согласии с принципом неопределённости Гейзенберга, в физическом вакууме постоянно рождаются и исчезают виртуальные, то есть кажущиеся (кому кажущиеся?), частицы: происходят так называемые нулевые колебания полей. Виртуальные частицы физического вакуума, а следовательно, он сам, по определению не имеют системы отсчета, так как в противном случае нарушался бы принцип относительности Эйнштейна, на котором основывается теория относительности (то есть стала бы возможной абсолютная система измерения с отсчетом от частиц физического вакуума, что в свою очередь однозначно опровергло бы принцип относительности, на котором постороена СТО). Таким образом, физический вакуум и его частицы не есть элементы физического мира, но лишь элементы теории относительности, которые существуют не в реальном мире, но лишь в релятивистских формулах, нарушая при этом принцип причинности (возникают и исчезают беспричинно), принцип объективности (виртуальные частицы можно считать в зависимсоти от желания теоретика либо существующими, либо не существующими), принцип фактической измеримости (не наблюдаемы, не имеют своей ИСО).

Когда тот или иной физик использует понятие "физический вакуум", он либо не понимает абсурдности этого термина, либо лукавит, являясь скрытым или явным приверженцем релятивистской идеологии.

Понять абсурдность этого понятия легче всего обратившись к истокам его возникновения. Рождено оно было Полем Дираком в 1930-х, когда стало ясно, что отрицание эфира в чистом виде, как это делал великий математик, но посредственный физик Анри Пуанкаре, уже нельзя. Слишком много фактов противоречит этому.

Для защиты релятивизма Поль Дирак ввел афизическое и алогичное понятие отрицательной энергии, а затем и существование "моря" двух компенсирующих друг друга энергий в вакууме - положительной и отрицательной, а также "моря" компенсирующих друг друга частиц - виртуальных (то есть кажущихся) электронов и позитронов в вакууме.

Однако такая постановка является внутренне противоречивой (виртуальные частицы ненаблюдаемы и их по произволу можно считать в одном случае отсутствующими, а в другом - присутствующими) и противоречащей релятивизму (то есть отрицанию эфира, так как при наличии таких частиц в вакууме релятивизм уже просто невозможен). Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.