Образование отрицательных ионов и рекомбинация заряженных частиц

Ответ:При достаточно низких температурах в продуктах сгорания возможно образование отрицательных ионов за счет процесса "прилипания" свободного электрона к нейтральному атому или молекуле. Химическое уравнение этой реакции будет (1.59) где а- – отрицательный ион; I- – энергия сродства к электрону. Тогда уравнение закона действия масс примет вид (1.60). Формула Саха для отрицательных ионов будет выглядеть следующим образом: (1.61). Образование значительных количеств отрицательных ионов вследствие процесса "прилипания" возможно, если в продуктах сгорания наряду с частицами, обладающими большим сродством к электрону присутствуют другие частицы, которые легко ионизируются и таким образом поставляют необходимые электроны. Действительно, согласно формуле (1.61), чтобы отношение са-/са было большим, должно быть велико се-, а Т – мала. Сродство к электрону некоторых атомов, молекул и радикалов представлено в табл. 1.8. Таблица 1.8 Энергия сродстваI частиц к электрону

Роль конденсированных частиц: В ряде работ экспериментально установлена аномально высокая ионизация пламен углеродсодержащих систем, которая не может быть объяснена с помощью формулы Саха, так как потенциалы ионизации газообразных продуктов сгорания достаточно высоки, а температуры пламен таких систем довольно низкие (1500–2000 К). В работе [11, с. 729-736] доказано, что аномально высокая ионизация, наблюдаемая в продуктах сгорания, может быть объяснена термоэмиссией электронов поверхности конденсированных (в частности, углеродных) частиц, которая сильно может влиять на электрические свойства пламен. Формула Саха может быть обобщена на случай процессов ионизации и захвата электронов конденсированными частицами Р, т.е. процессов типа (1.62) где т – целые числа, выражающие заряд конденсированной частицы в единицах заряда электрона; причем т > 0 обозначает положительный заряд, т = 0 соответствует нейтральным частицам, а т < 0 – частицам с отрицательным зарядом. Согласно материалам 12 Международного симпозиума по горению (Питтсбург, 1969) равновесная концентрация электронов, получаемая в результате многократной ионизации субмикроскопических твердых образований типа углеродных частиц в пламенах, равна

где j0 – работа выхода электрона, зависящая от вещества конденсированной частицы; r – радиус частиц; ср – концентрация частиц Р; ze – заряд электрона. С помощью формулы можно оценить влияние конденсированной фазы на электрофизические характеристики пламен. Она справедлива при высоких степенях ионизации конденсированных частиц. Интересно отметить, что потенциал ионизации атомов углерода – 11,256 эВ, а работа выхода электрона из графитовых частиц – всего -4 эВ, т.е. в некоторых системах конденсированная фаза продуктов сгорания может более эффективно поставлять свободные электроны, чем газовая фаза. Расчет концентрации электронов в пламенах при наличии конденсированных частиц осложняется недостаточной информацией о работах выхода электрона, концентрациях и функциях распределения конденсированных частиц по размерам.

Рекомбинация заряженных частиц определяет ионный состав, степень ионизации и характер распада низкотемпературной плазмы. Процессы такого рода имеют огромную важность в атмосфере, газоразрядной плазме, молекулярных лазерах, лампах высокого давления, плазмохимических технологиях и пр. Превалирующий химический механизм рекомбинации определется температурой и давлением в плазме и ее ионным составом. Эксперты компании Кинтех Лаб, основываясь на многолетнем опыте исследований в области низкотемпературной плазмы, разработали эффективные методики определения констант скоростей рекомбинации заряженных частиц. Константы скоростей взаимной ион-ионной нейтрализации в парных столкновениях рассчитываются на основе модифицированной теории Ландау-Зенера. Константы скоростей ион-ионной нейтрализации в трехчастичных столкновениях рассчитываются с использованием упрощенного подхода, основанного на временной иерархии различных стадий этого процесса. Подобный подход также используется при расчетах трехчастичной электрон-ионной рекомбинации. Расчеты коэффициента диссоциативной рекомбинации проводятся с использованием результатов квантово-химических расчетов параметров (ширин и энергий) авто-ионизованных состояний возбужденной квази-молекулы, участвующей в этом процесе.

· Нейтрализация ионов в парных столкновениях

· Нейтрализация ионов в тройных столкновениях

· Диссоциативная рекомбинация электрона и молекулярного иона

· Трехчастичная электрон-ионная рекомбинация