Шибков В.М.
Описание курса:
В курсе лекций рассматриваются физические основы элементарных процессов, протекающих в низкотемпературной плазме. Даются основополагающие соотношения физики электронных и атомных взаимодействий. Определяются понятия элементарного процесса, потенциала и радиуса взаимодействия, прицельного расстояния.
Спецкурс «Элементарные процессы в низкотемпературной плазме» предназначен для студентов, аспирантов и молодых сотрудников, специализирующихся в области физики плазмы, газового разряда, атомной физики, физической кинетики, а также в смежных областях физики.
Задачи дисциплины связаны с изучением физических основ описания элементарных процессов, протекающих в низкотемпературной плазме; освоением классических и квантово-механических методов вычисления эффективных сечений взаимодействий частиц в плазме; изучением экспериментальных методов определения сечений взаимодействий различных заряженных и нейтральных частиц.
В результате освоения дисциплины студент должен знать физические основы и характеристики элементарных процессов, протекающих в низкотемпературной плазме; владеть экспериментальными и теоретическими методами определения основных характеристик взаимодействия; уметь применять полученные знания для описания неравновесной низкотемпературной плазмы.
План курса:
1. Основы понятия и общие соотношения физики элементарных взаимодействий.
Занятие 1. Введение. Неколлективные или элементарные процессы. Коллективные или макропроцессы. Основные понятия и общие соотношения физики электронных и атомных взаимодействий. Определение понятия взаимодействия. Радиус взаимодействия и прицельное расстояние. Законы сохранения при парных соударениях. Эффективные сечения парных взаимодействий.
Занятие 2. Дифференциальное эффективное сечение рассеяния. Суммарное или макроскопическое эффективное сечение. Вероятность столкновений. Общее полное и общее суммарное эффективное сечение.
Занятие 3. Средняя длина свободного пробега и частота по отношению к элементарному взаимодействию. Константа скорости реакции. Скорость реакции. Сечение передачи импульса. Эффективная частота соударений.
Занятие 4. Тройные взаимодействия. Дифференциальное эффективное сечение тройных взаимодействий. Прямые и обратные процессы. Вероятность прямого и обратного процессов. Принцип детального равновесия.
2. Классические методы вычисления эффективных сечений.
Занятие 5. Классический метод вычисления эффективных сечений и условия его применимости. Движение взаимодействующих частиц в поле центральных сил. Вычисление дифференциальных эффективных сечений рассеяния в заданном направлении и в единичный телесный угол. Вычисление полного эффективного сечения.
Занятие 6. Соударения идеально упругих шаров. Упругие взаимодействия частиц. Эффект Рамзауэра-Таундсенда. Траектория движущейся частицы в поле рассеивающего центра. Эффективное сечение упругого рассеяния двух заряженных частиц. Формула Резерфорда.
Занятие 7. Неупругие соударения первого и второго рода. Дифференциальные эффективные сечения ионизации и возбуждения атомов и молекул. Тройные дифференциальные эффективные сечения ионизации и их угловое распределение. Двойное дифференциальное эффективное сечения ионизации. Полное эффективное сечение ионизации.
Занятие 8. Классические методы вычисления эффективных сечений возбуждения энергетических уровней и ионизации атомов и молекул. Вероятность ионизации. Модель Томсона. Эффективное сечение ионизации по модели Томсона.
3. Эмпирические формулы для описания взаимодействия. Квантово-механические методы вычисления эффективных сечений взаимодействия.
Занятие 9. Полуэмпирические и эмпирические формулы для сечения ионизации. Формула Дравина. Формула Гризинского. Дифференциальное и полное эффективное сечение возбуждения уровня атома или молекулы. Прямое возбуждение. Возбуждение с электронным обменом.
Занятие 10. Эффективные сечения ступенчатых процессов возбуждения и ионизации.
Занятие 11. Квантово-механические методы вычисления эффективных сечений взаимодействий. Теория возмущений. Волновое уравнение системы сталкивающих частиц. Волновая функция рассеянных электронов. Амплитуда рассеянной волны.
Занятие 12. Борновское приближение и условия его применимости. Упругое рассеяние электронов: рассеяние на малые и большие углы, изотропное и анизотропное рассеяние. Вычисление дифференциальных эффективных сечений возбуждения энергетических уровней и ионизация электронным ударом в борновском приближении.
Занятие 13. Оптически запрещенные и разрешенные переходы. Угловое распределение неупруго рассеянных электронов. Сравнение предсказаний теории в рамках аппроксимации Борна с экспериментальными результатами углового распределения для упругого и неупругого рассеяния электронов.
4. Взаимодействия заряженных частиц в плазме.
Занятие 14. Возникновение и исчезновение заряженных частиц в неравновесной плазме. Прямая и ступенчатая ионизации атомов и молекул электронным ударом. Ионизация при столкновении тяжелых частиц. Параметр Месси. Электрон-ионная рекомбинация (диссоциативная, трехчастичная, радиационная).
Занятие 15. Прилипание электронов (диссоциативное, трехчастичное). Разрушение отрицательных ионов (ассоциативный отрыв электрона, разрушение отрицательного иона электронным ударом, процессы отрыва электрона при столкновении с возбужденными частицами).
Занятие 16. Перезарядка. Ион-ионная рекомбинация. Диффузионные потери заряженных частиц. Свободная и амбиполярная диффузии.
5. Экспериментальные методы определения сечений взаимодействия.
Занятие 17. Методы измерения сечений парных и тройных взаимодействий. Экспериментальное определение эффективных дифференциальных сечений, общих и суммарных сечений, констант скоростей парных и тройных взаимодействий.
