[科普中国]-电荷交换

原理

当离子与中性粒子相碰撞时，离子从中性粒子中夺走电子，结果离子变成中性粒子，而原来的中性粒子变成了离子：

(共振的)

(非共振的)

因此，好象离子的电荷转移到了中性粒子。离子和中性粒子相碰时发生的电荷转移，称为电荷交换。电荷交换的几率与碰撞粒子的性质及其相对速率有关。

在受控热核研究中，等离子体的高速离子与低能的杂质原子或冷中性氢原子相碰撞，经过电荷交换过程后变成了快速原子，磁场对它就不再起约束作用，于是它带着能量飞向器壁，造成等离子体的能量损失。相反地，把高能中性粒子注入等离子体，当它们与等离子体中的离子相碰撞，经过电荷交换过程后，高能中性粒子变成了高能的离子留在等离子体中，等离子体便被加热，这就是所谓的中性注入对等离子体的加热。

能量损失在离子射入固体材料时，除核能量损失和电子能量损失外，入射离子和靶原子交换电荷也会造成能量损失，即离子在同原子碰撞过程中不断地俘获和失去电子使自己的电荷状态发生变化。俘获电子的过程需要做功，俘获电子可能处于激发态或基态，前者伴随着辐射损失。1

由于入射离子和原子库仑力的相互作用，离子的电子可能被激发到较高能级甚至电离，这些过程的恢复也伴随着辐射损失。离子的电荷交换损失 在离子速度接近波尔速度时达到最大值，约占总能量损失的10%。

产生效应电荷交换是入射离子在靶物质中失去电子或俘获核外电子的过程。这两种过程可交替地多次发生，直至离子的速度降低到热运动速度，离子变成中性原子为止。

离子俘获或失去电子的几率是由离子在物质中的速度与离子中电子的轨道速度之比决定的。当前者小于后者时，电子被俘获到该轨道上的几率极大，而从该轨道上失去的几率极小。对于能量较低的重离子，在考虑其能量损失时，电荷交换效应十分重要。2