Атомные столкновения

АТОМНЫЕ СТОЛКНОВЕНИЯ, 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 состояния молекулы.

Атомные столкновения - 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 переноса процессы 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 так называемым 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 А, В и С; е - электрон, ? - постоянная Планка, ω - круговая частота излучения; звёздочкой обозначены возбуждённые состояния атомов, v, v’, J, J’ - колебательные и вращательные квантовые числа начального и конечного состояний.

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 которых образуются отрицательные ионы водорода (таблица пункт 26). Основной процесс в электроразрядных молекулярных газовых лазерах - возбуждение колебательных уровней молекул электронным ударом (таблица пункт 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 пункт 2); в лампах высокого давления - фоторекомбинация электронов и ионов (таблица пункт 24). Спиновый обмен (таблица пункт 7) ограничивает параметры квантовых стандартов частоты, работающих на переходах между состояниями сверхтонкой структуры атома водорода или атомов щелочных металлов (таблица пункт 9). Различные неупругие процессы атомных столкновений с участием свободных радикалов, ионов, электронов и возбуждённых атомов определяют многие свойства верхней атмосферы.

Лит.: Физико-химические процессы в газовой динамике. М., 1995. Т. 1: Динамика физико-химических процессов в газе и плазме / Под редакцией Г. Г. Черного, С. А. Лосева; Smirnov В. М. Physics of ionized gases. N. Y., 2001 ; idem. Physics of atoms and ions. N. Y., 2003.