Подвижность электронов и ионов в газе и низкотемпературной плазме. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Подвижность электронов и ионов в газе и низкотемпературной плазме - коэф. пропорциональности

в соотношении

связывающем величину скорости дрейфа v_др электронов (ионов) в газе с величиной напряжённости электрич. поля Е, вызывающего этот дрейф. Понятие П. электронов и ионов имеет фпз. смысл при условии, когда характерная длина пробега рассматриваемой заряж. частицы много меньше характерного размера системы в направлении движения частицы. П. электронов и ионов выражается через электронную (ионную) проводимость плазмы

соотношением

где N_e,i - плотность электронов (ионов), е - заряд электрона. Теоретически П. электронов и ионов впервые анализировал П. Ланжевен (P. Langevin) в 1903, первым измерил

Дж. Таунсепд (J. S. Townsend), изучая диффузию пучка электронов, движущихся в электрич. поле, и смещение этого пучка в магн. поле.
Согласно элементарной кинетич. теории, величина П. электронов и ионов выражается через характерную частоту упругих соударений v_e,i заряж. частицы с частицами газа:

(т. - приведённая масса заряж. частицы и частицы газа). Как следует из соотношения (1), величина П. электронов и ионов обратно пропорц. плотности нейтральных частиц N. Истинное значение П. отличается от результата оценки (1) вследствие сложного характера зависимости сечения упругого рассеяния

от скорости соударения v_T. Решение кпнетич. ур-ния Больцмана с учётом этой зависимости приводит к численному отличию истинного и приближённого значения

не более чем на неск. десятков процентов.
П. электронов и ионов связана с их коэф. диффузии D в газе соотношением Эйнштейна

где

- характеристич. энергия электронов (ионов), значение к-рой близко к их ср. энергии и в точности совпадает с последней прп слабых полях, когда имеет место максвелловское распределение заряж. частиц по энергиям

П. ионов

и электронов

обычно исследуют раздельно, т. к. различны элементарные процессы, определяющие движение тех и др. частиц.

П. электронов. Осн. отличит. особенность П. электронов проявляется в зависимости

от отношения напряжённости электрич. поля Е к плотности газа N. Причина такой зависимости заключается в том, что из-за малой массы электроны при упругих столкновениях с тяжёлыми частицами теряют лишь незначит. часть энергии. Поэтому даже в слабых полях ср. энергия электронов в газе практически всегда превышает ср. энергию тяжёлых частиц и пропорц. величине энергии

набираемой электроном за время между двумя столкновениями (

- длина свободного пробега электрона в газе). Вследствие зависимости

это приводит к зависимости П. электронов от отношения E/N (рис.). Характер такой зависимости определяется сортом газа. В табл. 1 приведены значения П. электронов в разл. газах при нормальных условиях.

Табл. 1. - Подвижность электронов (см²/с х В) в газах при различных отношениях E/N.

Газ	E/N х 10^-17, В х см²
Газ	0,03	1,0	100
Не ... . . .	8700	930	1030
Ne.........	16000	1400	960
Аг.........	14800	410	270
Кr.........	12000	-	-
Хе ........	1980	-	240
Н₂.........	5700	700	470
N₂.........	13600	670	370
О₂.........	32000	1 150	590
со ........	-	970	360
N0 ........	-	1700
со₂ .......	670	780	480
СН₄........	-	310	260
CF₄ ........	-	-	42

Экспериментально П. электронов определяют прп измерении зависимости дрейфовой скорости электронов от приведённой напряжённости электрического поля E/N. Величину дрейфовой скорости находят либо на основании измерений проводимости плазмы и концентрацпп заряж. частиц, лпбо в результате измерения времени прохождения электронным роем определённого расстояния. Результаты измерений П. электронов служат одним из осн. источников определения энергетич. зависимости сечения упругого рассеяния электронов на атоме или молекуле.

Зависимость подвижности электронов

в различных газах от отношения E/N.

П. ионов, в отличие от П. электронов, в широком диапазоне изменения напряжённости электрич. поля Е практически от него не зависит. П. ионов в собственном газе определяется резонансной перезарядкой иона на атоме. При столкновении с нейтральной частицей ион обменивается с ней зарядом, а возникший ион начинает движение, перенос заряда имеет эстафетный характер (Сена эффект ).П. понов в собств. газе надёжно рассчитывают на основе асимитотич. теории резонансной перезарядки ионов. С учётом зависимости сечения резонансной перезарядки

от скорости соударений ионов П. ионов определяется формулой

где m_i - масса иона, выраженная в единицах протонных масс,

- ср. относит. скорость соударения, Т - темп-pa. Поправки к выражению (3), учитывающие упругое рассеяние иона на атоме и поляризац. захват, при комнатной и более высокой температурах обычно не превышают 10 - 15%. В табл. 2 представлены значения П. ионов инертных газов и щелочных металлов в собств. газе, приведённые к атм. давлению.

Табл. 2. - Подвижность ионов инертных газов и щелочных металлов

Т, К	Газ
Т, К	Не	Ne	Кr	Хе
77	15,3	2,1
195	11,7	1,8	-	-
300	10,2	1,0	1,0	0,66
Т, К	Металл
Т, К	Na	К	Cs
500	0,37	0, 14	0, 10
1000	0,29	0, 11	0,077

Осн. вклад в П. иона в чужом газе вносит упругое рассеяние нона на нейтральной частице (атоме, молекуле), характер к-рого определяется поляризац. взаимодействием заряда иона с наведённым диполем нейтральной частицы. При этом величина

выражается через поляризуемость нейтральной частицы

соотношением

где т - приведённая масса иона и нейтральной частицы, выраженная в единицах протонных масс,

- поляризуемость нейтральной частицы в атомных единицах. Как следует из (4), П. ионов в чужом газе не зависит от Т, что обусловлено обратной пропорц. зависимостью сечения упругого рассеяния при поляризац. взаимодействии

Поправки к (4), учитывающие вклад обменного взаимодействия иона с нейтральной частицей, обычно не превышают 10 - 20%.

П. ионов в растворахU = Fu, где F - Фарадея постоянная, и - скорость иона в см/с при напряжённости электрич. поля 1 В/см. Величина U зависит от природы иона, температуры, диэлектрич. проницаемости и концентрации раствора.

Литература по подвижности электронов и ионов в газе и низкотемпературной плазме

Знаете ли Вы, как разрешается парадокс Ольберса?
(Фотометрический парадокс, парадокс Ольберса - это один из парадоксов космологии, заключающийся в том, что во Вселенной, равномерно заполненной звёздами, яркость неба (в том числе ночного) должна быть примерно равна яркости солнечного диска. Это должно иметь место потому, что по любому направлению неба луч зрения рано или поздно упрется в поверхность звезды.
Иными словами парадос Ольберса заключается в том, что если Вселенная бесконечна, то черного неба мы не увидим, так как излучение дальних звезд будет суммироваться с излучением ближних, и небо должно иметь среднюю температуру фотосфер звезд. При поглощении света межзвездным веществом, оно будет разогреваться до температуры звездных фотосфер и излучать также ярко, как звезды. Однако в дело вступает явление "усталости света", открытое Эдвином Хабблом, который показал, что чем дальше от нас расположена галактика, тем больше становится красным свет ее излучения, то есть фотоны как бы "устают", отдают свою энергию межзвездной среде. На очень больших расстояниях галактики видны только в радиодиапазоне, так как их свет вовсе потерял энергию идя через бескрайние просторы Вселенной. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.