Атомные столкновения. Большая российская энциклопедия

А́томные столкнове́ния, элементарные акты взаимодействия атомных частиц (атомов, молекул, электронов, ионов) друг с другом или с фотонами при соударениях. Атомные столкновения делятся на упругие и неупругие. При упругих столкновениях суммарная кинетическая энергия сталкивающихся частиц не меняется, а лишь перераспределяется между ними и изменяются направления их движения. В неупругих столкновениях меняется внутренняя энергия сталкивающихся атомных частиц (они переходят на другие уровни энергии) и соответственно меняется их полная кинетическая энергия. При этом может измениться либо электронное состояние атома, либо колебательное и/или вращательное состояние молекулы.

Атомные столкновениях – акты рассеяния на атомных частицах – влияют на характер перемещения частиц в газе и плазме, особенно если рассеяние происходит на большие углы. Именно упругими столкновениями определяются процессы переноса в газах. Коэффициенты диффузии (перенос частиц), вязкости (перенос импульса), теплопроводности (перенос энергии) выражаются через эффективное сечение рассеяния атомных частиц. Аналогично подвижность ионов и электронов связана с сечениями упругого рассеяния иона и электрона на атоме или молекуле газа. Сечение упругого рассеяния частиц при тепловых энергиях называется газокинетическим сечением; оно имеет величину порядка 10–15 см² и определяет длину свободного пробега частицы в среде. Все характеристики переноса определяются т. н. транспортным сечением, в котором усреднённым образом учитываются вклады рассеяния на большие и малые углы.

Процессы неупругих атомных столкновений в газе или в слабоионизованной плазме очень разнообразны, их перечень приведён в таблице. Типы атомов, участвующих в столкновительных процессах и входящих в состав молекул, условно обозначены буквами $A, B$ и $C$ ; e – электрон, $\hbar$ – постоянная Планка, $ω$ – круговая частота излучения; звёздочкой обозначены возбуждённые состояния атомов, $ν, ν', J, J'$ – колебательные и вращательные квантовые числа начального и конечного состояний.

Неупругие процессы соударения атомных частиц и фотонов

1	Ионизация при столкновении атомов и молекул	$A + B → A + B^{+} +e$
2	Переход между электронными состояниями	$\mathrm {A + B \leftrightarrows A + B^}\\ \mathrm { e+B\leftrightarrows e + B^}$
3	Переход между колебательными или вращательными состояниями молекул	$\mathrm {AB} ( \nu ) _ \mathrm C \rightarrow \mathrm {AB}(\nu\prime)+\mathrm C\\ \mathrm {e +AB}(\nu) \rightarrow \mathrm {e+AB}(v\prime)\\ \mathrm {AB}(J)+\mathrm C \rightarrow \mathrm {AB}(J\prime)\\ \mathrm {e+AB}(J)\rightarrow \mathrm {e+AB}(J\prime)$
4	Химические реакции	$\mathrm {A+BC \rightleftarrows } \mathrm {AB+C}\\ \mathrm {A+BC} \rightleftarrows \mathrm {A+B+C}$
5	Тушение электронного возбуждения	$\mathrm {B^*+AC}(\nu) \rightarrow \mathrm {B+AC}(\nu\prime)$
6	Передача возбуждения	$\mathrm {A+B^* \rightarrow A^*+B}$
7	Спиновый обмен (при сохранении проекции полного спина атомов изменяется проекция каждого из них)
8	Деполяризация атома (изменяется направление орбитального момента одного из сталкивающихся атомов)
9	Переходы между состояниями тонкой и сверхтонкой структуры одной из сталкивающихся частиц
10	Ионизация атома или молекулы электронным ударом	$\mathrm {e+A \rightarrow 2e+A^+}$
11	Диссоциация молекулы электронным ударом	$\mathrm {e+AB \rightarrow e+A+B}$
12	Рекомбинация при тройных соударениях	$\mathrm {e+A^++B(e) \rightarrow A+B(e)}\\ \mathrm {A^-+B^++C \rightarrow A+B+C}$
13	Диссоциативная рекомбинация	$\mathrm {e+AB \rightarrow A+B}$
14	Диссоциативное прилипание электрона к молекуле	$\mathrm {e+AB^+ \rightarrow A^-+B}$
15	Прилипание электрона к молекуле при тройных соударениях	$\mathrm {e+A+B \rightarrow A^-+B}$
16	Ассоциативная ионизация	$\mathrm {A+B \rightarrow AB^++e}$
17	Эффект Пеннинга (атом А* находится в метастабильном состоянии, причём его энергия возбуждения превышает энергию ионизации атома В)	$\mathrm {A^*+B \rightarrow A+B^++e}$
18	Взаимная нейтрализация ионов	$\mathrm {A^-+B^+ \rightarrow A+B}$
19	Перезарядка ионов	$\mathrm {A+B^+ \rightarrow A^++B}$
20	Ион-молекулярные реакции	$\mathrm {A^++BC \rightarrow AB^++C}\\ \mathrm {A^++BC \rightarrow AB+C^+}$
21	Разрушение отрицательного иона	$\mathrm {A^-+B\rightarrow A+B+e}\\ \mathrm {A^-+B\rightarrow AB+e}$
22	Превращение атомных ионов в молекулярные (конверсия)	$\mathrm {A^++B+C \rightarrow AB^++C}$
23	Фотовозбуждение атома или молекулы с последующим спонтанным излучением	$\hbar \omega + \mathrm B \rightarrow \mathrm B^*$
24	Фоторекомбинация и фотоионизация	$\mathrm {e+A^+ \rightleftarrows A}+ \hbar \omega$
25	Фотодиссоциация и фоторекомбинация атомов и радикалов	$\hbar \omega + \mathrm {AB \rightleftarrows A+B}$
26	Радиационное прилипание электрона к атому	$\mathrm {e+A \rightarrow A^-+ \hbar } \omega$

В различных лабораторных экспериментах и явлениях природы главную роль играют те или иные неупругие столкновения частиц. Например, излучение с поверхности Солнца обусловлено главным образом излучательным захватом электронов атомами водорода, при котором образуются отрицательные ионы водорода (таблица, п. 26). Основной процесс в электроразрядных молекулярных газовых лазерах – возбуждение колебательных уровней молекул электронным ударом (таблица, п. 3); в результате этого процесса электрическая энергия газового разряда частично преобразуется в энергию лазерного излучения. В газоразрядных источниках света основными процессами являются: в резонансных лампах – возбуждение атомов электронным ударом (таблица, п. 2); в лампах высокого давления – фоторекомбинация электронов и ионов (таблица, п. 24). Спиновый обмен (таблица, п. 7) ограничивает параметры квантовых стандартов частоты, работающих на переходах между состояниями сверхтонкой структуры атома водорода или атомов щелочных металлов (таблица, п. 9). Различные неупругие процессы атомных столкновений с участием свободных радикалов, ионов, электронов и возбуждённых атомов определяют многие свойства верхней атмосферы.

Смирнов Борис Михайлович