Квазинейтральность – основное свойство плазмы. z_in_i  0. Условие квазиэлектронейтральности означает малость суммарного заряда плазмы по сравнению с суммой зарядов одного знака.

Потенциал электрического поля, существующего в окрестности любого заряда в плазме

 = (z_ie/r) exp(– r/D),

потенциал Дебая – Хюнкеля (кулоновский потенциал ₀ = z_ie/r).

Дебаевский радиус экранирования заряда D для равновесной изотетмичной плазмы равен

D = (kT/8z_i²e²n_i)^1/2,

для неравновесной плазмы, но при максвелловском распределении частиц внутри каждой из групп частиц

D = [kT_eT_i/8z_i²e²(T_e + T_i)n_i]^1/2.

На расстоянии D потенциал  убывает в e раз по сравнению с кулоновским потенциалом. D – характеризует линейный масштаб декомпенсации нейтральности плазмы.

Определение плазмы по Ленгмюру: совокупность заряженных и нейтральных частиц, для которой выполняется условие квазинейтральности z_in_i  0 и D << L (характерного размера плазмы).
2.2. Взаимодействие частиц, эффективное сечение
Типы взаимодействия частиц: кулоновские, упругие и неупругие. Ближние и дальние кулоновские взаимодействия. Траектории движения частиц.

Вероятности взаимодействия характеризуются так называемыми эффективными сечениями взаимодействия (из кинетической теории газов).

Рассмотрим (рис. 2.1) мишень с однородной плотностью  = MN неподвижных частиц, пучок взаимодействующих частиц с концентрацией n и скоростью u.

Рис. 2.1. Воображаемое сечение элементарного параллелепипеда единичной площади при взаимодействии частиц.

dn = nN dx = nNu dt.

Коэффициент пропорциональности  это эффективное сечение данного взаимодействия для отдельной частицы.

Вероятность взаимодействия

P_c = N/p₀,

где p₀ – приведенное давление (Торр).

p₀ = 273 p/T,

где температура T и давление p при данных условиях. P_c – среднее число взаимодействий частицы на расстоянии 1 см при давлении 1 Торр и 0 С.

Длина свободного пробега l_ср

l_ср = 1/N = 1/ P_cp₀.

F = z₁z₂e²/r², _упр< _кулон

Эффект слабого рассеяния электронов при малых энергиях в инертных газах, назван эффектом Рамзауэра (рис. 2.2). Он объясняется чисто квантовыми явлениями – дифракцией электронов на атомах. При больших энергиях применимо классическое рассмотрение, т.к. длина волны электронов становиться много меньше размера атомов.

Рис.2.2. Зависимость сечения рассеяния электронов на различных частицах от скорости электронов.

_упр для электронов имеет характерные значения порядка 10^–15 см².

2.4. Неупругие взаимодействия
Максимальное изменение потенциальной энергии частицы

(E_пот)_max = E₁m₂/( m₁ + m₂),

где E₁ – кинетическая энергия налетающей частицы. Из формулы видно, что при соударении электрона с тяжелой частицей возможен практически полный переход кинетической энергии в потенциальную, т.е. неупругие столкновения с участием электрона наиболее эффективны.
2.4.1. Возбуждение (тушение) атомных, ионных и молекулярных состояний.
e + A_k⁰⁽⁺⁾  A_n⁰⁽⁺⁾ +e

Это пороговый процесс, _в (E_kn) имеет величину порядка нескольких эВ.

_kn  10^–16 – 10^–19 см². Максимум при E_кин = (1,5  2) E_kn (рис. 2.3).

Рис.2.3. Типичный вид зависимости сечения возбуждения атомов электронным ударом от энергии электронов.

Возбуждение (тушение) молекулярных состояний:

e + M_k,i,j⁰⁽⁺⁾  M_{k,i,j}⁰⁽⁺⁾ +e

Энергетические зазоры между колебательными уровнями 10^–2 – 1 эВ, между вращательными уровнями 10^–3 – 10^–1 эВ. Поэтому медленные электроны эффективно теряют энергию на возбуждение этих уровней.

Для N₂ сечение возбуждения колебательных уровней (0,5  3) 10^–16 см².

e + M  A +B + e

Вероятность прямого разбиения молекулы из основного состояния мала. Причина – кратковременность воздействия, в течение которого атомы (или радикалы) не успевают получить необходимого для разлета количества движения.

Диссоциация молекул часто преимущественно идет ступенчато через электронно-колебательные, электронные и колебательные возбужденные состояния с достаточным временем жизни:

e + M  M^ + e

e + M^  A + B + e

Обратный процесс – ассоциация.

Зависимость сечения диссоциации молекул электронным ударом от энергии электронов имеет разный вид для различных молекул (рис. 2.4).

Рис.2.4. Зависимости сечения диссоциации молекул электронным ударом от энергии электронов.

2.4.3. Ионизация атомов и молекул.
e + A_k  A_i⁺ + e + e

Обратный процесс – тройная рекомбинация.

Из основного (k = 1) состояния потенциал ионизации E_и для разных частиц находится в интервале 4 – 25 эВ. Максимум ₁ достигается при E_кин = (3  5)E_и, ход зависимости ₁(E_кин) для разных атомов и молекул имеет одинаковый вид (рис. 2.5), соответствует аппроксимации Фабри–Канта.

Рис.2.5. Зависимости сечения ионизации атомов и молекул прямым электронным ударом из основного состояния от энергии электронов.

_k^и(E_кин) = k³ ₁(E_кин) т.е. _k^и  k³, k – главное квантовое число уровня.

При T_e << E_и эффективна ступенчатая ионизация по сравнению с прямой.

Частота ионизации _и (характеризует скорость рождения зарядов) т.е. число актов ионизации в 1 см³ в 1 с производимое электроном для газового разряда

_и = n_a = n_ak_и.