Приглашаем посетить сайт

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах
ПОДВИЖНОСТЬ

ПОДВИЖНОСТЬ

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 этотдрейф. Понятие П. электронов и ионов имеет фпз. смысл при условии, когдахарактерная длина пробега рассматриваемой заряж. частицы много меньше характерногоразмера системы в направлении движения частицы. П. электронов и ионов выражаетсячерез электронную (ионную) проводимость плазмы соотношением где N_e,i - плотность электронов (ионов), е - зарядэлектрона. Теоретически П. электронов и ионов впервые анализировал П. Ланжевен(P. Langevin) в 1903, первым измерил Дж. Таунсепд (J. S. Townsend), изучая диффузию пучка электронов, движущихсяв электрич. поле, и смещение этого пучка в магн. поле.

Согласно элементарной кинетич. теории, <величина П. электронов и ионов выражается через характерную частоту упругихсоударений v_e,i заряж. частицы с частицами газа:

( т. - приведённая масса заряж. частицыи частицы газа). Как следует из соотношения (1), величина П. электронови ионов обратно пропорц. плотности нейтральных частиц N. Истинноезначение П. отличается от результата оценки (1) вследствие сложного характеразависимости сечения упругого рассеяния от скорости соударения v_T. Решение кпнетич. ур-ния Больцманас учётом этой зависимости приводит к численному отличию истинного и приближённогозначения 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 ихср. энергии и в точности совпадает с последней прп слабых полях, когдаимеет место максвелловское распределение заряж. частиц по энергиям П. ионов и электронов обычно исследуют раздельно, т. к. различны элементарные процессы, определяющиедвижение тех и др. частиц.

П. электронов. Осн. отличит. особенностьП. электронов проявляется в зависимости от отношения напряжённости электрич. поля Е к плотности газа N. Причинатакой зависимости заключается в том, что из-за малой массы электроны приупругих столкновениях с тяжёлыми частицами теряют лишь незначит. частьэнергии. Поэтому даже в слабых полях ср. энергия электронов в газе практическивсегда 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 приведенызначения П. электронов в разл. газах при нормальных условиях.

Табл. 1. - Подвижность электронов (см ²/с х В) в газах при различных отношениях E/N.

Газ	E/N х10-17,В х см 2
	0,03	1,0	100
Не ... . . .	8700	930	1030
Ne.........	16000	1400	960
Аг.........	14800	410	270
Кr.........	12000	-	-
Хе ........	1980	-	240
Н 2.........	5700	700	470
N2.........	13600	670	370
О 2.........	32000	1 150	590
со ........	-	970	360
N0 ........	-	1700
со 2 .......	670	780	480
СН 4........	-	310	260
CF4 ........	-	-	42

Экспериментально П. электронов определяютпрп измерении зависимости дрейфовой скорости электронов от приведённойнапряжённости электрического поля E/N. Величину дрейфовой скоростинаходят либо на основании измерений проводимости плазмы и концентрацппзаряж. частиц, лпбо в результате измерения времени прохождения электроннымроем определённого расстояния. Результаты измерений П. электронов служатодним из осн. источников определения энергетич. зависимости сечения упругогорассеяния 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 практическиот него не зависит. П. ионов в собственном газе определяется резонансной перезарядкойиона на атоме. При столкновении с нейтральной частицей ион обмениваетсяс ней зарядом, а возникший ион начинает движение, перенос заряда имеетэстафетный характер ( Сена эффект). П. понов в собств. газе надёжнорассчитывают 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, прикомнатной и более высокой темп-рах 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
	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
	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 вноситупругое рассеяние нона на нейтральной частице (атоме, молекуле), характерк-рого определяется поляризац. взаимодействием заряда иона с наведённымдиполем нейтральной частицы. При этом величина выражается через поляризуемость нейтральной частицы соотношением

где т - приведённая масса иона инейтральной 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 обратнойпропорц. зависимостью сечения упругого рассеяния при поляризац. взаимодействии Поправки к (4), учитывающие вклад обменного взаимодействия иона с нейтральнойчастицей, обычно не превышают 10 - 20%.

П. ионов в растворахU= Fu, где .- Фарадея постоянная, и - скорость иона в см/с при напряжённостиэлектрич. поля 1 В/см. Величина U зависит от природы иона, темп-ры, <диэлектрич. проницаемости и концентрации раствора.

Лит.: Смирнов Б. М., Ионы и возбужденныеатомы в плазме, М., 1974; Елецкий А. В., Палкина Л. А., Смирнов Б. М.,Явления переноса в слабоионизированной плазме, М., 1975; Мак-Даниель П.,Мэзон Э., Подвижность и диффузия ионов в газах, пер. с англ., М., 1976;Хаксли Л., Кромптон Р., Диффузия и дрейф электронов в газах, пер. с англ.,М., 1977.

А. В. Елецкий.