[科普中国]-等离子体碰撞过程

等离子体(plasma)又叫做电浆，是由部分电子被剥夺后的原子及原子团被电离后产生的正负离子组成的离子化气体状物质，尺度大于德拜长度的宏观电中性电离气体，其运动主要受电磁力支配，并表现出显著的集体行为。1通常采取气体动力学理论中的惯用的处理方法，在粒子相互作用区域不考虑外场的影响，而在碰撞的间隔部分不考虑粒子相互作用力。因为相互作用半径比自由程小很多。等离子体的碰撞过程主要分为二体碰撞，库伦碰撞，原子碰撞和分子碰撞。2

等离子体中的二体碰撞等离子体是多组元弱相互作用粒子的气体。一般来说，二体碰撞适用于带电粒子与中性粒子之间的碰撞，在一定近似下也可以用于带电粒子之间的碰撞。二体碰撞是等离子体碰撞过程中最基本的问题。3

二体碰撞的原因1.等离子体中包含大量无规则运动的电子、离子及中性粒子；

2.等离子体的一些特有性质与等离子体粒子之间的碰撞密切相关；

3.粒子碰撞特性与等离子体密度、温度及电离度的强弱有关；

4.碰撞过程一般为多体过程（一个带电粒子与多个粒子相互作用）。

二体碰撞近似低温、低密度等离子体，二体碰撞过程占主导地位。高温、强电离度等离子体，多体碰撞为主。但多体碰撞描述和计算极为复杂，往往近似为二体碰撞的叠加过程。关于二体碰撞近似描述为：将粒子运动轨迹分为碰撞区和碰撞间隙区。在碰撞区，不考虑外场对粒子的作用，而在碰撞间隙区，不考虑粒子之间的相互作用。

二体碰撞类型三种基本运动粒子分别为电子（e），离子（i），中性粒子（n）。则可以形成六种碰撞组合：e-i，e-e，i-i，e-n，i-n和n-n。前三种碰撞为带电粒子与带电粒子之间的碰撞，库仑力作用，无需粒子直接接触，为库仑碰撞后三种中碰撞的粒子至少有一方为中性粒子，需要直接接触才会产生相互作用力电子与原子碰撞主要过程有弹性散射（电子动量改变）和激发、电离等离子与原子碰撞主要过程有弹性散射（动量和能量交换）和共振电荷转移等分子气体中还包括分解、分解复合、电子吸附和解吸附。

此外碰撞截面越大，越容易发生碰撞！它可以用来衡量粒子发生碰撞的概率，分子、原子的半径约为10-10m，它们的碰撞截面约为10-20m。3

等离子体中的库仑碰撞原因与特点等离子体中带电粒子间的库仑相互作用分成两部分：1.距离大于德拜长度：集体相互作用，粒子和自洽场作用；2.距离小于德拜长度：库仑碰撞，粒子和粒子直接相互作用。那么，等离子体中库仑碰撞的特点就是碰撞是渐进的（与中性粒子碰撞有别），并且是多体相互作用。

库伦碰撞近似1.等离子体是稀薄的；

2.近似为系列的两体碰撞；

3.最近距离远小于粒子平均距离。3

等离子体中的原子碰撞原子能级各种原子或分子系统的能级跃迁问题需要用量子电动力学理论作全面描述。原子中电子与电磁辐射的关系是：束缚电子在原子系统的不同能级中跃迁时产生电磁辐射或光子辐射，且每种原子系统都有其独特的原子能级（决定于束缚电子与原子核之间的电磁作用）。

原子碰撞类型主要根据碰撞反应的生成物：电子与原子碰撞能产生激发态中性粒子、离子、辐射、额外电子等来进行分类。主要包括：

1.弹性碰撞，其特点是发生反射并且无新的生成物。

2.激发过程，主要有电子碰撞激发，而激发态粒子具有很好的化学活性，有些激发态粒子较稳定，称亚稳态。

3.电离过程，主要有电子碰撞电离、电子碰撞双原子分解、电子－亚稳态电离、亚稳态－中性粒子电离等。

4.退化与复合过程，主要有退激发、电子－离子复合、辐射复合、电子附着、离子－离子复合。例如Ne（氖）原子的激发、辐射与电离过程就是如此。3

等离子体中的分子碰撞分子碰撞的原因及特点因为分子的内能的存在，在等离子体加工工艺中常用的气体，除了单原子分子气体外，还有多原子分子气体，如H2,O2, 甲烷(CH4)，硅烷(SiH4)及氟利昂(CF4)等。而且多原子分子中的原子以共有电子对的形式结合。分子的内能U即为整体直线平动+振动+旋转能量+原子结合成分子时获得的势能。此外，由于分子的离解能，即一个分子各原子的标准生成热的总和与该分子的标准生成热的差值，也会导致等离子体的分子碰撞。

分子碰撞的类型主要包括：激发、中性离解（一般要先激发，后离解）、直接电离、电离离解(不是所有气体分子都能直接电离,如CF4+就非常不稳定)、电子吸附、离解吸附、电子与离子复合（辐射光子，三体复合中多余能量给第三个粒子）。一般来说，分子的离解产生具有活泼化学反应性的中性基团。3

本词条内容贡献者为:

胡建平 - 副教授 - 西北工业大学