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[拼音]:dianzi tong yuanzi pengzhuang

[英文]:collisions of electrons with atoms

当电子与原子碰撞时,入射电子与靶原子内部的电子和原子核之间的相互作用主要是库仑相互作用。入射电子与靶原子之间可以进行动量和能量交换,碰撞前后的总动量和总能量分别守恒,由于进行了动量交换,被散射的电子将从碰撞中心以不同角度射出;由于进行了能量交换,被散射的电子将损失或获得一定的动能。电子与原子的碰撞一般可分为无辐射碰撞和有辐射碰撞两大类。

无辐射碰撞

这种碰撞有弹性碰撞、非弹性碰撞和超弹性碰撞几种。

(1)弹性碰撞。碰撞时当入射电子转移给靶原子的能量不能激发靶原子内的电子时,所转移的能量就使靶原子作为整体而反冲。因为电子质量me比原子质量ma小得多,其反冲能量与入射电子能量之比在数量级上为

,一般小于 10-3。这类碰撞被称为电子与原子的弹性碰撞或弹性散射。

(2)非弹性碰撞。当入射电子转移给靶原子的能量能够激发靶原子内的电子时,这类碰撞被称为电子与原子的非弹性碰撞或非弹性散射。非弹性碰撞还可以进一步分为:电子碰撞激发,致使靶原子发生束缚能级之间的跃迁;电子碰撞电离,致使靶原子发生由束缚能级到自由能级的跃迁。电子碰撞电离的逆过程就是所谓三体复合过程。

(3)超弹性碰撞。当电子与处在激发态的原子碰撞时,入射电子还可以得到能量,这类碰撞被称为超弹性碰撞,也就是电子碰撞激发的逆过程。

下图显示了电子与锰原子的碰撞结果,入射电子束能量为20eV。碰撞后,由于动量转移,被散射的电子将以不同角度出射,并具有不同的能量损失,图中表示散射角为20°时被散射电子的强度与能量损失的关系。可看出存在著能量损失为“零”的弹性峰──代表弹性散射电子的强度。能量损失小于锰原子第一电离阈值IP时,存在许多分立峰──它们分别代表各种电子碰撞激发的非弹性散射。图中的符号 a6D,z6P,y6P等分别标明锰原子的各种不同的激发态。当能量损失大于电离阈值时,散射电子的强度将随能量损失成连续的分布,代表电子碰撞电离的非弹性散射。这个例子说明:具有一定能量的电子与原子碰撞时,在满足能量守恒定律和动量守恒定律的条件下,可以发生各种无辐射碰撞过程。

可以定量地用截面来描述发生各种碰撞过程的机率。某种碰撞过程的截面定义为:对于单位流强的电子束,单位时间内发生碰撞的机率。截面可以利用实验方法进行绝对测量而得到,也可以在理论上进行第一原理计算而得到。

有辐射碰撞

电子与原子碰撞时还会伴有辐射过程,有辐射的碰撞截面一般比较小,其过程可分为轫致辐射、辐射覆合。

(1)轫致辐射。电子与原子碰撞引起“电子与原子”作为整体的自由能级到自由能级之间的辐射跃迁。入射电子的部分动能将转变为光子(电磁辐射)能量而射出(见轫致辐射)。

(2)辐射覆合。入射电子发射一定能量的光子后被靶原子俘获形成稳定的负离子,这就是直接辐射覆合过程。当入射电子具有特定动能时,可以激发原子内的电子,入射电子则由于损耗能量而被俘获形成激发态的负离子,该激发负离子辐射衰变而变为稳定的负离子,这就是共振辐射覆合。对于电子与离化态原子的共振辐射覆合过程,一般也可以称为双电子复合过程。

应用和发展

在气体放电现象中,各类电子与原子(或分子)的碰撞过程可以起到将能量从电源传递给放电气体的作用。这时放电气体内部存在著由电子碰撞激发而产生的激发态原子、由电子碰撞电离而产生的离子(或激发态分子、自由基等)以及与这些粒子有关的各种碰撞过程产物。要深入了解气体放电现象,先要了解有关的微观碰撞过程,在这个基础上,对巨集观的放电特性建立一个完全的精确的认识。这当然需要所有有关碰撞过程的截面资料。目前人们尚未完全掌握截面资料,因此有关碰撞方面的研究尚在不断深入。又如当电离辐射将能量贮积在气体物质内部时,电子碰撞起重要作用,能使被贮积的能量输运而分布在气体物质内部。要进一步了解辐射作用的物理、化学及生物效应,需要定量地了解辐射作用的初期能量分布,为此有关的碰撞资料也是不可缺少的。在镭射器研制方面,如图所示的电子与锰原子的碰撞,可以形成锰原子的 y6P激发能级的布居数反转(即粒子数反转)而产生531.4nm (y6P-a6D)的镭射。20世纪70年代以来,围绕著一些大型应用性研究发展专案,如受控核聚变、气体镭射等等,许多国家纷纷建立资料中心,专门研究和收集有关的碰撞截面。

碰撞研究除了配合有关分支学科的理论研究和有关应用性研究外,其本身也有特殊意义:电子与原子碰撞基本上是个量了多体动力学问题,多体间为长程的库仑相互作用,虽然人们对这一问题已得到很多近似解答,但精确度却有限。由于实验测量的发展,这些有限的精确度的近似解逐步地得到验证。当入射电子能量在电离阈值以下时,这类量子多体动力学问题可以严格地简化为两体问题(在质心系中,成为单体问题)而得到严格解。基于这种物理影象的理论称为多通道量子数亏损理论。当入射电子的能量在电离阈值附近或大于电离阈值时,这类量子多体动力学问题能够严格地简化为有效的三体问题,但相互作用为长程库仑相互作用的三体问题目前还没有严格解。这是电子与原子碰撞方面的重要研究课题。

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