I. Gi i thi u v plasmaớ ệ ề
-Plasma là m t h n h p khí ion hóa, trong đó bao g m các h t mang đi n nhộ ỗ ợ ồ ạ ệ ư
electron, ion, và k c các h t trung hòa. Trong h n h p đó giá tr tuy t đ i c aể ả ạ ỗ ợ ị ệ ố ủ
đi n tích d ng b ng giá tr tuy t đ i c a đi n tích âm. Nh v y, plasma là hệ ươ ằ ị ệ ố ủ ệ ư ậ ệ
trung hòa đi n tích,và là v t d n đi n t t. Tuy nhiên không ph i lúc nào trongệ ậ ẫ ệ ố ả
plasma đi n tích d ng cũng b ng đi n tích âm, khi có s m t cân b ng đi n tíchệ ươ ằ ệ ự ấ ằ ệ
thì trong plasma s sinh ra m t đi n tr ng m nh đ ngăn c n s m t cân b ngẽ ộ ệ ườ ạ ể ả ự ấ ằ
và làm cho plasma này tr nên trung hòa v đi n. Nói m t cách khác, m t đở ề ệ ộ ậ ộ
electron g n b ng m t đ h t mang đi n tích d ng trong m t đ n v th tích.ầ ằ ậ ộ ạ ệ ươ ộ ơ ị ể
II. Phân lo iạ
-Có hai plasma là plasma nhi t đ cao và plasma nhi t đ th pệ ộ ệ ộ ấ
+Plasma nhi t đ th p có nhi t đ trong kho ng 3000-70000K, th ng đ c sệ ộ ấ ệ ộ ả ườ ượ ử
d ng trong đèn huỳnh quang, ng phóng đi n t , tivi plasma…ụ ố ệ ử
+Plasma nhi t đ cao có nhi t đ l n h n 70000K, th ng g p m t tr i và cácệ ộ ệ ộ ớ ơ ườ ặ ở ặ ờ
ngôi sao, trong ph n ng nhi t h ch…ả ứ ệ ạ
III. Đ nh nghĩaị
-Đ ph n ánh b n ch t c a plasma ng i ta đ a ra khái ni m b c ion hóaể ả ả ấ ủ ườ ư ệ ậ
0
,
n
nie
=
β
β : b c ion hóaậ
ne,I : n ng đ các h t mang đi nồ ộ ạ ệ
n0 : n ng đ các h t khí trong môi tr ngồ ộ ạ ườ
-Nh vào b c ion hóa ng i ta chia plasma ra làm hai lo i là: ion hóa hoàn toàn vàờ ậ ườ ạ
ion hóa m t ph n.ộ ầ
-Tr ng h p ion hóa hoàn toàn th ng x y ra plasma nhi t đ cao. Lúc nàyườ ợ ườ ả ở ệ ộ
tính ch t c a plasma đ c xác đ nh b i tính ch t c a đi n t và ion ch a trongấ ủ ượ ị ở ấ ủ ệ ử ứ
nó.
-Tr ng h p plasma nhi t đ th p ion hóa hoàn toàn th ng x y ra trong phóngườ ợ ệ ộ ấ ườ ả
đi n n và phóng đi n h quang ệ ẩ ệ ồ
-Đ plasma có tính ion hóa m nh thì:ể ạ
ei
eo
σ
σ
β
≥
-Đ plasma có tính ion hóa y u thì:ể ế
ei
eo
σ
σ
β
<
σei :ti t di n hi u d ng, đ c tr ng cho quá trình t ng tác gi a đi n t v i ionế ệ ệ ụ ặ ư ươ ữ ệ ử ớ
σeo :ti t di n hi u d ng, đ c tr ng cho quá trình t ng tác gi a đi n t v i h tế ệ ệ ụ ặ ư ươ ữ ệ ử ớ ạ
trung hòa
-Theo quan đi m nhi t đ ng h c có hai lo i là plasma cân b ng và plasma khôngể ệ ộ ọ ạ ằ
cân b ngằ
+Plasma cân b ng (ho c plasma đ ng nhi t) là trong đó các h t có cùng nhi tằ ặ ẳ ệ ạ ệ
đ ,trung hòa v đi n vì các h t mang đi n m t đi luôn đ c bù l i do quá trìnhộ ề ệ ạ ệ ấ ượ ạ
ion hóa, nó t n t i mà không c n l y năng l ng t bên ngoàiồ ạ ầ ấ ượ ừ
+Plasma không cân b ng (ho c plasma b t đ ng nhi t): không trung hòa v đi n,ằ ặ ấ ẳ ệ ề ệ
nh ng s phá v trung hòa đó không ph i là l n, nó t n t i c n có năng l ng tư ự ỡ ả ớ ồ ạ ầ ượ ừ
bên ngoài, n u không nh n đ c năng l ng t bên ngoài thì plasma s t m t điế ậ ượ ượ ừ ẽ ự ấ
-V y đi u ki n g n trung hòa là m t trong nh ng đi u ki n c b n c a plasmaậ ề ệ ầ ộ ữ ề ệ ơ ả ủ
ta có th đ nh nghĩa “plasma là m t t p h p các ion, đi n t và các h t trung hòaể ị ộ ậ ợ ệ ử ạ
t ng tác v i nhau và v i tr ng b c x ”. Tuy nhiên đ nh nghĩa này ch a nói lênươ ớ ớ ườ ứ ạ ị ư
đ c nh ng tính ch t c b n c a plasma, ta c n tìm hi u thêm v màn tĩnh đi nượ ữ ấ ơ ả ủ ầ ể ề ệ
-N u b qua l c t ng tác phân t ta có:ế ỏ ự ươ ử
kT
r
eZ
ie
<<
2
)(
r
: kho ng cách trung bình gi a các h tả ữ ạ
3
1
1
N
r=
N: n ng đ c a plasmaồ ộ ủ
N=ne+ ni
-Xét m t h t b t kì: s có m t l p đi n tích hình c u sinh ra xung quanh h t, độ ạ ấ ẽ ộ ớ ệ ầ ạ ộ
dày c a l p này ph thu c vào nhi t và n ng đ h t. Đ dày c a l p ti p xúcủ ớ ụ ộ ệ ồ ộ ạ ộ ủ ớ ế
ph i giúp nó ch a đ s h t khác d u, có kh năng làm màn ch n tr ng choả ứ ủ ố ạ ấ ả ắ ườ
h t. Bán kính c a hình c u đó đ c g i là bán kính Debyeạ ủ ầ ượ ọ
Th Coulomb:ế
r
eZie
=
0
ϕ
Th Debye:ế
−= D
r
r
eZie exp
ϕ
D: là bán kính Debye
Khi r=D
Thì
-V y tr ng c a l p đi n tích bao quanh h t đã làm màn ch n tr ng c a h t đóậ ườ ủ ớ ệ ạ ắ ườ ủ ạ
trên kho ng cách xác đ nhả ị
Trong tr ng h p t ng quát thì bán kính Debye đ c tính b ng công th cườ ợ ổ ượ ằ ứ
( )
2
1
2
2
1
2
)(4
== −
−
∑ieie
ie
ieie nZ
KT
DDD
π
Die là bán kính Debye c a các thành ph n c u t o plasmaủ ầ ấ ạ
N ng đ h t:ồ ộ ạ
3
3
4
1
D
N
π
>>
-Công th c này cho th y r ng đ t n t i màn ch n thì s h t trái d u trong hìnhứ ấ ằ ể ồ ạ ắ ố ạ ấ
c u bán kính Debye ph i đ l n.Nh ng n u bán kính Debye quá l n đ n khôngầ ả ủ ớ ư ế ớ ế
còn kh năng làm màn ch n thì lúc này nó không còn g i là plasma. V y plasmaả ắ ọ ậ
ph i th a mãn đi u ki n sau:ả ỏ ề ệ
-Th a mãn đi u ki n g n trung hòaỏ ề ệ ầ
-Bán kính Debye ph i nh h n nhi u l n so v i khích th c c a mi n ch a t pả ỏ ơ ề ầ ớ ướ ủ ề ứ ậ
h p đóợ
D<<L
IV. S t ng tác gi a các h t trong plasmaự ươ ữ ạ
1.Ti t di n hi u d ngế ệ ệ ụ
Khái ni m v ti t di n hi u d ng trong va ch m là r t quan tr ng. Nó đ c tr ngệ ề ế ệ ệ ụ ạ ấ ọ ặ ư
cho quá trình va ch m trong ch t khíạ ấ
Đ đ n gi n v ch ra ý nghĩa hình h c c a ti t di n hi u d ng. S va ch m gi aể ơ ả ạ ọ ủ ế ệ ệ ụ ự ạ ữ
hai h t khi g p nhau s x y ra n u kho ng cách gi a hai tâm nh h n ho c b ngạ ặ ẽ ả ế ả ữ ỏ ơ ặ ằ
m t kho ng cách c c ti u nào đó. Kho ng cách c c ti u này là bán kính hi uộ ả ự ể ả ự ể ệ
d ng c a s va ch m. N u các h t có d ng nh qu c u đàn h i có bán kính làụ ủ ự ạ ế ạ ạ ư ả ầ ồ
r1,r2, s va ch m s x y ra khi các h t cách nhau m t kho ng nh h n rự ạ ẽ ả ạ ộ ả ỏ ơ 1+r2
Khi đó :σ = π(r1+r2)2
2. Kho ng đ ng t do trung bìnhả ườ ự
Kho ng đ ng t do trung bình c a h t đ c xác đ nh nh t ng s kho ng cáchả ườ ự ủ ạ ượ ị ư ổ ố ả
c a h t gi a hai va ch m chia cho t t c s h t đóủ ạ ữ ạ ấ ả ố ạ
Ti t di n hi u d ng càng l n thì s va ch m x y ra càng nhi u, s va ch m c aế ệ ệ ụ ớ ự ạ ả ề ự ạ ủ
các h t x y ra càng nhi u thì kho ng đ ng t do trung bình càng nh , nh v yạ ả ề ả ườ ự ỏ ư ậ
kho ng đ ng t do trung bình ph i ph thu c vào ti t di n hi u d ng và m tả ườ ự ả ụ ộ ế ệ ệ ụ ậ
đ c a các h tộ ủ ạ
σ
λ
N
1
=
3. T n s va ch mầ ố ạ
T n s va ch m là s va ch m trong m t đ n v th i gian. N u h t chuy n đ ngầ ố ạ ố ạ ộ ơ ị ờ ế ạ ể ộ
v i v n t c v, thì t n s va ch m s b ng:ớ ậ ố ầ ố ạ ẽ ằ
λ
συ
v
vN ==
4. Va ch m đàn h iạ ồ
Là va ch m không làm thay đ i tính ch t c a h t, là va ch m mà trong đó các h tạ ổ ấ ủ ạ ạ ạ
t ng tác ch l ch đi m t góc nh , đóng m t vai trò đ c bi t.ươ ỉ ệ ộ ỏ ộ ặ ệ
Chúng ta dùng khái ni m c đi n đ nghiên c u va ch m đàn h i, vì lý thuy t cệ ổ ể ể ứ ạ ồ ế ổ
đi n không áp d ng đ c cho các m c năng l ng nguyên tể ụ ượ ứ ượ ử
nên ch áp d ng lý thuy t c đi n khi:ỉ ụ ế ổ ể
σ
<<
2
mv
h
V y lý thuy t c đi n đúng ch v i năng l ng c a h t va ch m l n và ti t di nậ ế ổ ể ỉ ớ ượ ủ ạ ạ ớ ế ệ
hi u d ng bi n đ i ch m h n vệ ụ ế ổ ậ ơ -2 .
Tán x đàn h i c a đi n t và ionạ ồ ủ ệ ử
Va ch m đàn h i gi a electron v i phân t ho c nguyên t là m t trong nh ng sạ ồ ữ ớ ử ặ ử ộ ữ ự
va ch m th ng hay g p nh t trong plasmaạ ườ ặ ấ
Xét 2 h t t ng tác v i nhauạ ươ ớ
Đ ng năng toàn ph n c a h t: ộ ầ ủ ạ
r
rvmU 2
'
2
1
=
vr v n t c t ng đ i c a hai h t tr c va ch mậ ố ươ ố ủ ạ ướ ạ
T ng đ ng năng và th năngổ ộ ế
)('
2
12
0rvmU r
r
ϕ
+=
effr rmU
ϕ
+= 2
0'
2
1
Khi r’= 0 thì
2
2
0
02
)( rm
P
rU
r
+=
ϕ
r
r1
~)(
ϕ
và
2
1
~)( r
r
ϕ
Góc l ch toàn ph n đ c tính b ng công th c:ệ ầ ượ ằ ứ
m
θπχ
2−=
V i ớ
∫
∞
=
m
r
mdr
d
dr
θ
θ
∫
∞
−−
−=
m
r
r
b
U
r
r
dr
b
2
1
2
2
0
2
)(
1
2
ϕ
πχ
b g i là thông s va ch mọ ố ạ
Ta có ϕ(r) ~ rn
(χ,v) ~ v-4/n
Do σ (χ,v) t l thu n v i bỉ ệ ậ ớ 2 nên
(χ,kv0) =k-4/nσ (χ,vo)
Suy ra σ ~
v
1
V y v n t c hi u d ng t l ngh ch v i v n t c electronậ ậ ố ệ ụ ỉ ệ ị ớ ậ ố
5. Va ch m không đàn h iạ ồ
a) Va ch m không đàn h i lo i 1ạ ồ ạ
Là va ch m làm thay đ i tính ch t c a m t hay nhi u h t. Nh vào s va ch mạ ổ ấ ủ ộ ề ạ ờ ự ạ
không đàn h i mà các quá trình nh : s ion hóa, s kích thích, s phân li, s hóaồ ư ự ự ự ự
h p… có th x y raợ ể ả
Trong va ch m không đàn h i lo i 1 khi kích thích ho c ion hóa thì m t ph nạ ồ ạ ặ ộ ầ
đ ng năng c a h t s chuy n vào th năng c a h t kiaộ ủ ạ ẽ ể ế ủ ạ
Theo đ nh lu t b o toàn năng l ngị ậ ả ượ
ε
∆++=+ 2
'
2
'
22
2
22
1
2
1
2
22
1
2
1vmvmvmvm
T đ nh lu t b o toàn xung l ngừ ị ậ ả ượ
m1v1 + m2v2 =m1v’1 +m2v’2
Ta nh n đ c ậ ượ
11
21
2WW
mm
m
H
δε
=
+
=∆
δH t s truy n năng l ng khi va ch m không đàn h iỉ ố ề ượ ạ ồ
Đi u ki n đ i v i năng l ng h t bay đ n trong va ch m đàn h i là:ề ệ ố ớ ượ ạ ế ạ ồ
δHW1 ≥ eVi
Th i gian h t bay đ n trong vùng t ng tác c a tr ng nguyên t :ờ ạ ế ươ ủ ươ ử
r
v
b
=
τ
Th i gian chuy n đi n t t m c qu đ o này lên m c qu đ o khác, ho c táchờ ể ệ ử ừ ứ ỹ ạ ứ ỹ ạ ặ
nó ra kh i nguyên t ỏ ử
ε
τ
∆
=h
'
Trong va ch m không đàn h i ạ ồ τ=τ’
S chuy n đi n tích c a h tự ể ệ ủ ạ
- S chuy n đi n tích c a h t là s truy n đi n tích t ion chuy n đ ng nhanhự ể ệ ủ ạ ự ề ệ ừ ể ộ
cho các nguyên t chuy n đ ng ch m. K t qu là ion có năng l ng cao có thử ể ộ ậ ế ả ượ ể
bi n thành nguyên t trung hòa, ion m i đ c hình thành trong plasma có năngế ử ớ ượ
l ng th p. Quá trình này đóng vai trò quan tr ng trong plasma ph n ng nhi tượ ấ ọ ả ứ ệ
h chạ
An+ + ->A(n-1)+ + M+
T kh o sát chúng ta k t lu n r ng cùng v i s tăng lên c a v n t c proton, lúcừ ả ế ậ ằ ớ ự ủ ậ ố
đ u ti t di n trao đ i đi n tích đ c tăng nhanh khi v n t c proton đ t đ n m tầ ế ệ ổ ệ ượ ậ ố ạ ế ộ
giá tr nào đó thì ti t di n đ t giá tr c c đ i, và sau đó b t đ u gi m xu ngị ế ệ ạ ị ự ạ ắ ầ ả ố
nhanh. V n t c proton t i đó ti t di n hi u d ng l n nh t đ c g i là v n t cậ ố ạ ế ệ ệ ụ ớ ấ ượ ọ ậ ố
t i uố ư
* S kích thíchư