ИССЛЕДОВАНИЕ КИНЕТИКИ НАСЕЛЕННОСТЕЙ АТОМОВ В ДОЛГОЖИВУЩИХ (МЕТАСТАБИЛЬНЫХ И РЕЗОНАНСНЫХ) СОСТОЯНИЯХ НА ПРИМЕРЕ Текст научной статьи по специальности «Физика»

Бадр Абдул Хади студент магистратуры кафедра оптики

Санкт-Петербургский государственный университет

Россия, Санкт-Петербург

ИССЛЕДОВАНИЕ КИНЕТИКИ НАСЕЛЕННОСТЕЙ АТОМОВ В

ДОЛГОЖИВУЩИХ (МЕТАСТАБИЛЬНЫХ И РЕЗОНАНСНЫХ) СОСТОЯНИЯХ НА ПРИМЕРЕ Не - Ne

Аннотация: Рассмотрены переходы между возбуждёнными состояниями (метастабильными и резонансными) в инертных газах. Основное внимание уделено таким переходам, которые либо возможны в рамках эксперимента, либо запрещены правилами отбора. Рассмотрен процесс изменения населенностей этих состояний различными причинами.

Ключевые слова: переходы, возбуждённые состояния (метастабильные и резонансные), населенность, плазма смесей инертных газов.

Badr Abdul Hadi master student Department of Optics St. Petersburg State University Russia, St. Petersburg

INVESTIGATION OF THE KINETICS OF ATOM POPULATIONS IN LONG-LIVING (METASTABLE AND RESONANT) STATES ON THE

EXAMPLE OF He-Ne

Annotation: Transitions between excited states (metastable and resonance) in inert gases are considered. The main attention is paid to such transitions that are either possible within the framework of the experiment or prohibited by the selection rules. The process of changing the populations of these states by various reasons is considered.

Keywords: transitions, excited states (metastable and resonant), population, plasma of mixtures of inert gases.

Нижние возбужденные состояния атомов можно разделить на две группы: метастабильные и резонансно-возбужденные. Из резонансно-возбужденных состояний атомов возможен излучательный переход в основное состояние с испусканием дипольного фотона, т.е. излучательное время жизни резонансно-возбужденных атомов невелико. Для метастабильных состояний атомов излучательный переход в нижние

состояния запрещен, т.е. они обладают большим временем жизни по отношению к излучению. [1]

Метастабильные атомы играют исключительную роль в формировании свойств плазмы. В этих состояниях накапливается значительная доля энергии, вводимой в плазму, основной механизм ионизации - электронным ударом -обусловлен их присутствием в плазме, они являются непосредственным источником появления заряженных частиц вследствие парных столкновений, наконец, источником заселения возбужденных состояний атомов -партнеров по столкновениям вследствие передачи возбуждения.

Мне хотелось бы познакомить вас с экспериментом в Ме, чтобы продемонстрировать, с одной стороны, сложность решения задачи, и с другой - возможность ее решения при правильном подходе. Заметим, что тяжелые инертные газы имеют отличное от Не строение возбужденных уровней, поскольку внешняя оболочка содержит р - электроны. Поэтому при устранении одного р - электрона из замкнутой оболочки 2р6 возможно образование двух ионных состояний: 2р1/2 и 2 р , причем последний лежит

заметно глубже. (В частности, это говорит о том, что у атомов инертных газов существуют автоионизационные возбужденные состояния). Прибавляя к этим ионным состояниям один электрон, можем получить набор термов, стремящихся к двум пределам 2 р и 2 р 2.

(Рис.1, на котором представлено изменение разницы энергий (расстояний между термами Р5П52Р и Р5п$2р ). ТО, термы 1р и 3р относятся к иону 2р , а Зр и Зр _ к иону 2р . Упоминание об этом вот

зачем. При теоретическом анализе вероятностей электронно -стимулированных переходов между возбужденными уровнями получен следующий результат: переходы между уровнями, относящимися к различным ионным состояниям, или, как говорят, с изменением полного момента атомного остова, значительно менее вероятны.

Этот вывод требует экспериментального подтверждения, которое может быть получено, в частности, при анализе процессов в неоновой плазме.

Схема уровней первой возбужденной конфигурации 2Р535 (Рис.2) такова, что, в силу близости уровней имеет место их эффективное «перемешивание» при взаимодействии с электронами, которое в значительной степени определяет скорость разрушения обоих метастабильныхЗРо и Зр состояний за счет переходов в резонансные состояния 1р и Зр соответственно. По этой же причине в кинетике населенностей этой группы уровней не разобраться, если не анализировать их совместно в одном эксперименте Мы изучаем смесь Яе — Ме. Смысл добавления гелия в том, что Не обладает меньшей массой и большим сечением упругого рассеяния электрона, так что релаксация температуры электронов при изменении напряженности «подогревающего» электрического поля происходит намного быстрее, чем в Ме, что позволяет осуществить

такой режим измерении, когда время установления значительно меньше характерных времен изменения плотностей электронов и метастабильных атомов в распадающейся плазме. [3]

Поэтому первая задача - измерение пе(1) в распадающейся плазме. Условия эксперимента (давления компонентов смеси Не — N6, плотность электронов пе) таковы, что есть основания полагать, что в стадии распада плазмы реализуется механизм диссоциативной рекомбинации: N6+ + е ^ N6* + N6 причем плотность молекулярных ионов равна плотности электронов [N6+] = пе. Но тогда распад плазмы описывается простым урванением: [2]

йпе 2 пе(г = 0)

= —ащ ^ пе(Х) =

&г е е 1 + апе(Ъ = 0)Л

Где 1 = 0— время начала стадии распада плазмы, а — коэффициент

ДР.

вторая задача - изучение распада уровней 3Ро,3Р1, иЗр2. Распад уровней 3Ро,3Р1 иЗРг происходит по следующим причинам (рис.3) [3]:

Для уровня 3 р :

1)электронные столкновения:

Ые (3Ро) + е ^ Ые (3Р±) + е теоретически невозможен но требует проверки в эксперименте

Ые (3Ро) + е ^ Ые (3Рг) + е теоретически невозможен но требует проверки в эксперименте

Ые (3Ро) + е ^ Ые (1Р±) + е теоретически возможен!

2)трехчастичная реакция конверсия: N6 (3Р()) + N6 + N6 ^ N62+ Не N6 (3Ро) + N6 + Не ^ N6* + Не

3)атомные столкновения:

Ые (3Ро) + Ые ^ Ые (3Р2) + Метеоретически возможен! Ые (3Ро) + Не ^ Ые (3Р2) + Не теоретически возможен! Ые (3Ро) + Ые ^ Ые (3Р±) + Ые теоретически возможен! Ые (3Ро) + Не ^ Ые (3Р±) + Яетеоретически возможен!

4)пенинговская ионизация:

N6 (3Р()) + N6 (3Р2) + ^ + N6+ + е, N6+ + е N6 (3Ро) + N6 (3Р1) + ^ N6++ N6 +е, N6++ + е N6 (3Ро) + N6 (3Ро) + ^ N6++ N6 +е, N6++ + е

5)обратные процессы электронных ударов: N6 (3Р±) + е ^ N6 (3Ро) + е

Ме (Зр) + е ^ Ме (Зр) + е теоретически невозможен, но требует проверки в эксперименте

Ме (1р) + е ^ Ме (Зр) + е Возможен или невозможен - эти термины принципиального характера, следующие из теории. Тот факт, что мы этот процесс не учитываем есть следствие малости населенности Ме (1р,)..

6)диссоциативная рекомбинация:

Ме+ + е ^ Ме* + Ме (Ме* = Ме (Зр )). Считаем, что на Зр идет % всего потока рекомбинации, т.е. поток делится поровну на все уровни 2Р535.

7) резонансный переход в основное состояние: невозможен

8) диффузия атомов на стенке.

тогда распад уровня Зро описывается следующим дифференциальным уравнением:

^[3ро] = —Пе(^01 + ^02 + Щ[3р0] — [Зр0]([^е]2^1 + [^в][Яв]^2)

(&№*] + Се[Яе]) — [3р](0^] + ^"[Яе])

[Зр2]^. — [ЗР0][3

3р0

Зр„

+ пе(^ю[3р1] + ^2о[Зр2]) + аз^.п2 —

[Зр,]

Для уровня 3 р :

1)электронные столкновения: (3^) + е ^ (Зр) + е

Ме (Зр) + е ^ Ме (Зр) + е теоретически невозможен, но требует проверки в эксперименте

Ме (Зр) + е ^ Ме (1р) + ^теоретически невозможен, но требует проверки в эксперименте

2)трехчастичная реакция конверсия: Ме (Зр) + Ме + Ме ^ Ме2 + Ме Ме (Зр1) + Ме + Яе ^ Ме* + Яе

3)атомные столкновения:

Ме (Зр) + Ме ^ Ме (Зр) + Ме Ме (Зр1) + Яе^ Ме (Зр) + Яе

4)пенинговская ионизация:

Ме (Зр) + Ме (Зр) + ^ Ме++ Ме + е, Ме+ + е Ме (Зр1) + Ме (Зр2) + ^ Ме++ Ме + е, Ме+ + е Ме (Зр1) + Ме (Зр) + ^ Ме++ Ме + е, Ме+ + е

5)обратные процессы электронных ударов: №е (Зр) + е ^ №е (Зр) + е

Ые (Зро) + е ^ Ые (3Р±) + е теоретически невозможен, но требует проверки в эксперименте

Ые (1Р±) + е ■ Ые (3Р±) + е теоретически невозможен, В обработке эксперимента не учитывается, т.к. населенность N6 (1р1) много меньше населенности остальных трех уровней 2Р5Зб, на что указывают экспериментальные данные измерений поглощения на линии 5852 А°.

6)диссоциативная рекомбинация:

Ые*+ Ые (Ые* = Ые (3Р±)) Считаем, что на Зро идет % всего потока рекомбинации, т.е. поток делится поровну на все уровни 2Р5ЗБ.

7) резонансный переход в основное состояние: ^ (3Р1) ^ N6 (15о) + НУ

8) диффузия атомов на стенке.

тогда распад уровня 3Р± описывается следующим дифференциальным уравнением:

^^ = —Пе(кю + к 12 + к11)[3р1] — [3Р1](.[Ме]2Р1 + [Ме][Не]^2)

— [3Р1](к»2еШ + к?{[Не]) — [3Р1][3Р2]к, — [зР1][зР1]кп

[Зр ]

— [3Рг][3Ро]к12 + пе(к21[3р2] + ко1[Зр0]) + а3 .П2 — ——

^гев

РР1]

то1ГГ Для уровня 3 р :

1)электронные столкновения: Ые (Зр2) +е ^ Ые (3Р±) + е

Ые (3Рг) + е ^ Ые (3Ро) + ^теоретически невозможен, но требует проверки в эксперименте

Ые (3Рг) + е ^ Ые (1Р±) + е теоретически невозможен но требует проверки в эксперименте

2)трехчастичная реакция конверсия: N6 (3Р2) + N6 + N6 ^ N62 + Не N6 (3Рг) + N6 + Не ^ N6* + Не

3)атомные столкновения:

N6 (3Р2) + N6 (Не) ^ N6 (3Р1) + N6 (Не) ^ N6 (3Ро) + N6 (Не) ^ N6 (1Р±) + N6 (Не) Возможны все эти процессы, просто скорости процессов, требующих большой (по сравнению с кинетической энергией атомов), например, N6 (3Рг) + Ые (Не) — Ые (3Р±) + Ые (Не) много меньше скоростей обратных процессов (например, N6 (3Р±) + N6 (Не) — N6 (3Рг) + N6 (Не))

4)пенинговская ионизация:

Ме (Зр) + Ме (Зр1) + ^ + Ме + е, + е

Ме (Зр2) + Ме (Зр2) + ^ + Ме + е, + е

Ме (Зр2) + Ме (Зро) + ^ + Ме + е, + е

5)обратные процессы электронных ударов: (3^) + е ^ (Зр) + е

Ме (Зр) + е ^ Ме (Зр) + ^теоретически невозможен

Ме (1р) + е ^ Ме (Зр) + е (невозможен) теоретически невозможен но требует проверки в эксперименте. В обработке эксперимента не учитывается, т.к. населенность Ме (1р ) много меньше населенности остальных трех уровней 2р535, на что указывают экспериментальные данные измерений поглощения на линии 5852 Л°.

6)диссоциативная рекомбинация:

Ме+ + е ^ Ме*+ Ме ( Ме* = Ме (Зр))- не только Зр, но и остальные уровни 2р535. Считаем, что на Зр идет % всего потока рекомбинации, т.е. поток делится поровну на все уровни 2р535. е ^ (а3^Яе (Зр2) + Яе

е ^ (а3р1 ^ (Зр4) + Яе

Яе++ е ^ (а3 Яе (Зро) + Яе

е ^ (а1р°Яе (1р±) + Яе

и мы предполагаем, что эти процессы идут с одинаковой скоростью, то есть константы скоростей = = а3ро = =адР/4, где аоя -

константа скорости диссоциативной рекомбинации молекулярных ионов Ме+с электронами в плазме. Полный поток рекомбинации равен адР [ Ме+] пе (в квадратных скобках - плотность ионов) - в уравнении для Зр мы пишем ^Зр2" ^ так как в наших условиях все ионы молекулярные, так что [ Ме+]= пе

7) резонансный переход в основное состояние: невозможен-запрещен по правилам отбора, которые надо знать!

8) диффузия атомов на стенке.

тогда распад уровня Зр описывается следующим дифференциальным уравнением:

^р^ = — ^21 + ^20 + ^1)[3р] — [Зр2]([Ме]2^1 + [Яе][Яе]&)

— МЗр]^ — [Зр2][3р2]^1! — [Зр2][3р0]^12

р2

+ Ле(^12[3р1] + ^2о[Зр0]) + «З^.^2 —

Рис.1. изменение разницы энергий (расстояний между термами р5П52р

и р5П52р1/2.

Рис.2. Схема уровней первой возбужденной конфигурации 2р535

Рис.З.падение населения уровней Зр, Зр и Зр

Использованные источники:

1.Б.М.Смирнов, Физика атома и иона.

2.В.А.Иванов, Энциклопедия низкотемпературной плазмы, 2008, Том '' Оптика низкотемпературной плазмы ''.

3.V.A. Ivanov, Electron-impact-induced excitation transfer between 3s levels of the neon atom, J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 3\ (1998) 1165.