22. 원자의 여기와 이온

 

 

 비탄성 충돌로 원자의 내부 에너지에 변화가 생긴다.

 

원자의 첫 번째 최외각 궤도를 도는 전자에 외부에서 다른 전자를 충돌시키는 등 에너지를 부여하면, 전자는 보다 바깥쪽의 궤도로 이동하게 된다.

 

즉 전자는 원래의 상태보다 큰 에너지를 갖게 되고, 다른 운동을 하게 되는 상태를 전자가 에너지를 얻어 들뜬상태(excited state)에 있다고 하며, 이와 같이 전자나 원자에 에너지를 주는 것을 여(pumping)라 한다.

여기 이전의 에너지가 가장 낮은 전자 상태를 바닥상태(ground state)라 한다.

 

 

 

이온화(전리) 충돌 :

• 쿨롱힘 안에 갇힌 전자들은 빠져나가서 전자가 충돌을 끊어내는 메커니즘 다른 입자 전자는 엑시토닉 이온

 

Ne 원자를 예로 하면,

• Pauli의 배타 원리에 의해 방대한 덩어리 전자가 충돌할 때 n=2까지의 3개 쉘들을 모두 채우는 1s²2s²2p⁶으로 표시
• 표면에 의해 3s에 4개, 3p에 6개의 전자가 차곡차곡 쌓일 수 있는 또다른가지 존재
• 이온화에 필요한 최소 에너지 : 21.55 eV
• 네온에 의해 느끼는 전자의 운동에너지가 이온화 에너지보다 커야 한다.
• 이온화 반응 : \( e + Ne \rightarrow Ne^+ + e + e \) ( \( E \geq 21.55 eV \) )

 

흡광과 자연에 의한 Ne 원자의 탈출,

• 최소 흡광 에너지(3s)까지의 에너지 : 16.54 eV
• 비탄성 충돌에 의한 여기 과정 : \( e + Ne(2p) \rightarrow Ne^*(3s) + e \) ( \( E \leq 16.54 eV \) )
• 비탄성 충돌시는 주로 상태가지 대면에서 ~50 ns의 시간에 방대한덩어리 충돌을 함으로하여, 이 \( 16.54 eV \) 에너지에서 해당하는 \( \lambda = 74.3 nm \) 의 빛을 포함한 방출을한다.

\( \Delta E = h\nu, \nu = c_0 \)

3p 제어에선 3s 제어도 전이하는 경우에는 비탄성자가 전기에 의해 700 nm 주의의 전자빛이 자연방출(spontaneous emission)된다.

 

---

준안정 상태(Metastable State) :

바닥상태로의 천이(Transition)가 광학적으로 금지지되어 있는 들뜬준위

 

준안정준위에서의 수명은 일반 들뜬준위보다 약 1,000배(수 μs~수 초) 이상 길다.

            ← 바닥상태로 자연천이되는 것이 금지되어 있기 때문

     → 준안정준위에서는 다른 입자와의 충돌이나 광자의 흡수에 의해 여기된 후

                     • 광을 유도방출(stimulated emission)하며 천이하거나,

                     • 다른 원자나 분자와 비탄성 충돌하거나,

                     • 플라즈마 관벽과 충돌하며 바닥준위로 천이한다.

 

 

Penning 효과 :

Ne 가스를 50 mTorr로 흘려주고 직류류로 방전시키기 위해서는 약 800 V의 고전압압필요

      → 단지 0.1 %의 Ar 가스를 첨가하는 것으로 방전 개방전압이 1/4로 내려간다.

              e + Ne → Nem* + e (   ≥16.62 eV) ; 준안정 상태로 여기

          Nem*  + Ar → Ne + Ar+ + e   ; 준안정 원자에 의한 이온화 (Ar 이온화 에너지 : 15.75 eV)

---

 

 

전자충돌에 의한 이온화 :

• 제1이온화 : 충돌전에 내부부에 메커니즘이 존재할 때 메커니즘 대응
• 제2이온화 : 1개개의 음이온에서 전자가 하나 더 이온화 될 때를 말함

준안정 원자에 의한 이온화 : \( X_m^* + Y \rightarrow X + Y^+ + e \)

이온화에 의한 이온화 : \( X^* + Y \rightarrow X + Y^+ + e \)

중성분자들에 의한 이온화 : \( X + Y \rightarrow X + Y^+ + e \)

• 수백 eV 이상의 충돌 에너지로 부터 전자에 전달되는 에너지가 적음
• 고온, 고압 가스에서의 이온화 부족(Thermal Ionization) \( \leftarrow \) Arc 방전에 의한 이온화 발생과 관련

광에 의한 이온화 : \( hv + X \rightarrow X^+ + e \)

• 입사광이 매끄러운 메커니즘의 충돌할 때 여기됨
• 입사광은 공기 중에서 전자를 충돌에 의한 이온화에 의해 안을 찾다.

양이온 X양 중독입자의 Y양 충돌 : \( X^+ + Y \rightarrow X + Y^+ \)

• 평균거리 로컬에서 서로 충돌함
• 양이온은 X양 증강강하여 충돌로 플라즈마에 의해 중독입자 Y양 충돌자가 서로 이동
• 양이온 Y양이 중입자 사이의 전극극을 지하고 단계적인 단계적으로 타격을 받다가 앞으로 간다
• 이론과 전자의 충돌은 가스 : Ar+ + CH₄
• 고정정 무슨 방법을 고찰하게 많은 방전에 의한 입사자에 의해 방출됨
• 물질에서 충돌이 이루어진다 전하평균 거리에서.
• → 수소의 충돌로 전자의고를 가공공시켜 수소소스 속으로 가속시키며, 100 keV의 높은 에너지를 갖는 고속의 수소 원자 및 상상