Условные обозначения:

A, B, C – атомы e – электрон

h – квант излучения

AB, AC, BC – молекулы

A⁺, B^– ‑ ионы

R_a, R_b – радикалы (активная часть молекулы)

A^* ,B^* ‑ возбужденный атом

AB^* ‑ возбужденная молекула

A_n, B_n – атом поверхности

(A^–)^* ‑ возбужденный ион

AR – комплекс атом–радикал

AR^* ‑ возбужденный комплекс

AB⁺ ‑ молекулярный ион

П - поверхность

При протекании элементарных процессов, (диссоциации, ионизации, возбуждения), происходит образование новых частиц, при рекомбинации происходит исчезновение частиц. В результате образуются энергетически и химически активные частицы.

Элементарные процессы в плазме

Возбуждение атома, молекулы, иона ‑ передача энергии ударяющей частицы на увеличение энергии электронных состояний ударяемой частицы. В результате этого процесса частица из нормального состояния переходит в состояние с более высокой энергией. Этот переход сопровождается излучением фотона, диссоциацией на радикалы или образованием пары ион ‑ электрон (автоионизация).

Прилипание электрона к атомам и молекулам - присоединение электрона с передачей его энергии. В результате образуется ион и излучается фотон, образуется радикал (нейтральный, заряженный) или происходит автоионизация ‑ испускание собственного электрона.

Ионизация ‑ образование заряженных ионов путем взаимодействия (удаления или присоединения) электрона с нейтральным атомом или молекулой.

Ассоциативная ионизация ‑ образование молекулярных ионов при энергии ударяющей частицы достаточной только для возбуждения атома. Отрыву электрона от атома способствует выделяющаяся дополнительная энергия при образовании молекулярного иона.

Диссоциация ‑ распад молекулы на составляющие части (атомы, радикалы).

Рекомбинация ‑ воссоединение положительного иона с электроном (простая рекомбинация), иона с ионом (ион ‑ ионная рекомбинация), радикалов (ассоциативная рекомбинация) с образованием нейтральной частицы.

Перезарядка ‑ переход электрона из одного атомного остатка (ион, радикал) в другой. Результат: образование новых ионов, взаимная нейтрализация частиц.

В технологической плазме НГП (низкотемпературная газовая плазма) основными процессами, приводящими к образованию активных частиц, является ионизация (с образованием электронов, ионов, молекулярных ионов), диссоциация (с образованием радикалов), рекомбинация (приводящая к исчезновению активных частиц) и химические реакции (в результате которых образуются химически активные частицы). Рассмотрим эти процессы с позиции определения вероятности и определим основные их параметры.

Ионизация

При - однократная ионизация.

- формула Томсона сечения однократной ионизации.

- частота ионизации,

где ‑ концентрация атомов до ионизации.

Изменение энергии в системе сталкивающихся частиц:

 E = E_упр+Е_неупр, где ‑ доля энергии, теряемой ударяющей частицей и приобретаемой ударяемой при упругом столкновении,

‑ доля энергии, аналогично теряемой и приобретаемой при неупругом столкновении ( ионизации).

.

Константа однократной ионизации:

( 25 )

Если и

- константа однократной ионизации.

При E_K<E_иониз ионизация происходит только в результате серии столкновений атома с электронами. Атом, при этом, последовательно возбуждается и затем ионизируется. Этот процесс называется ступенчатой ионизацией атома. В этом случае где ₀ ‑ сечению атома = ( – радиус Бора)

Тогда константа ступенчатой ионизации:

(26)

Здесь - статистические веса иона и атома ~1

Сравнивая формулы для k_иониз (25) и для k_ступ (26) получим:

Это соотношение много меньше единицы, т.к.

При малых значениях T_е процесс ступенчатой ионизации энергетически более выгоден однократной ионизации.

Ассоциативная ионизация происходит при столкновении возбужденного атома А^* с невозбужденным В. Сталкивающиеся атомы образуют неустойчивый комплекс , находящийся в автоионизационном состоянии, имеющее конечное время жизни и могущее распасться с образованием свободного электрона. При этом образуются молекулярный ион и электрон. .

Для ассоциативной ионизации необходима меньшая энергия, так как и этот процесс происходит при столкновении уже возбужденного атома с невозбужденным. Сечение ассоциативной ионизации зависит от времени жизни автоионизационного состояния. При этом энергия связи молекулярного иона сравнима (немного больше) с энергией связи электрона в возбужденном атоме.

К примеру в гелии, ассоциативная ионизация возможна, так как энергия возбуждения атомов 1,6 эВ, а энергия связи молекулярного иона Не₂⁺ составляет 2,2 эВ.