التصادمات مع الجسيمات المعتدلة

يمكن ضمن تقريب معقول اعتبار وجود مقطع هندسي معين للجسيمات المعتدلة. فالجسيمات ليست صلبة أي مقطعها يتعلق دوما بالسرعة ولكن هذا التعلق يتعين بالخواص المحددة للجسيمة في حالة الجسيمات المعتدلة ولا يمكن ان يدل عليه بشكل عام. التصادمات تكون مرنة وغير مرنة عند التصادم المرنيحصل فقط تبادل الطاقة الحركية اما عند التصادم غير المرن فيحصل تحول للطاقة الحركية للجسيمات المتصادمة الى اشكال اخرى للطاقة. هذا التحول في الطاقة الحركية على نقل الكترون احدى الذرات او الجزيئات المشاركة الى مدار اعلى. ومن ثم يجري اصدار طاقة الاثارة على شكل ضوء. واذا كانت الطاقة الحركية كافية لانتزاع الكترون من ذرة او جزيئة عندئذ يصبح ممكنا التاين. واخيرا اذا ما اصطدمت ذرة مع ايون لذرة اخرى مماثلة فانه يمكن ان يحصل بينهما تبادل للشحنة باحتمال كبير وهي العملية التي تحتل موقعا هاما في فيزياء البلازما. الايون الكترونا من الذرة متحولا بذلك الى ذرة والذرة الى ايون (الشكل 1). وكأن شيئا لم يحدث في الظاهرة:

الشكل (1): تبادل الشحنة

في هذا الصدد ترد الى الذاكرة حكاية كوزما بروتكوف عن طالبين عسكريين اسماهما شميث وشولث اللذان تأخرا في اجازتهما وقررا ان يحيرا المسؤولين عنهما.​ فسميث سمي بشولت وشولت سمي سميث ولكن في البلازما مثل هذا التبادل في الاسماء (أي تبادل الشحنة) يبدو غاية في الاهمية.

في واقع الامر مثل هذا التبادل يمكن ان يتسرع بحقول كهربائية ويحصر بحقول مغنطيسية. فاذا ما انتزع ايون سريع الكترونا من ذرة فهو يتحول الى ذرة سريعة التي لا يؤثر عليها الحقل المغنطيسي . فلا يمكن لاي حقل مغنطيسي ان يحتجز ذرة في مصيدة وهي تغادر الى الجدار حاملة معها طاقة حركية التي اكتسبها من الحقل الكهربائي . وبنتيجة تبادل الشحنة ينتج ايون بطئ يصبح من الضروري تسريعه من جديد. لهذا السبب تبدو عملية تبادل الشحنة واحدة من المصادر الرئيسية للمصاعب عند توليد البلازما الحارة.

ام عملتي الاثارة والتباين حديثتان. من اجلهما يجب ان تكون طاقة الصدم لا اقل من حد معين (عتبة). ويكون لعملية تبادل الشحنة الاحتمال الاكبر اذا ما كانت تجاوبية أي اذا ما اكتسب الايون الكترونا من ذرة مماثلة. مثل هذا التبادل في الشحنة التجاوبي يحصل باحتمال غاية في الكبر عند اية طاقات صغيرة.

جرى تميز العمليات المختلفة للتصادمات بمقاطع فعالة موافقة: مقطع الاثارة Q_e ومقطع التأين Qi ومقطع تبادل الشحنة Q_ex .

وتحسب هذه المقاطع على اساس ان الجسيمة المتحركة بسرعة Ʋ في وسط تركيزه n تنتج في وحدة الزمن n Qv عملية. وان مجموع هذه المقاطع الثلاث يعطي المقطع الكلي للعمليات غير المرنة  ويكون مقطعا الاثارة والتأين مع مساويين للصفر تحت طاقة التعبئة . ولكنهما يتزايدان بسرعة فوق العتبة مع الطاقة ويمران من قمة عظمى ومن ثم يتخامدان بسرعة. اما مقطع تبادل الشحنة فهو يتناقص ببطء مع تزايد الطاقة. وتساوي القيمة العظمة لمقطع التأين حوالي πα²​  حيث α نصف قطر المدار الالكتروني للذرة. فمقطع تبادل الشحنة التجاوبي اكبر بكثير من الابعاد الهندسية للذرة. فمن اجل ان ينتزع الكترون ليس بالضرورة ان يقترب الايون الى حد التماس المباشر مع الذرة (انظر الشكل 1) يميل التجريبيون الى استخدام احتمال التصادم p بدلا عن المقطع Q . وهو عدد التصادمات للنوع المعطي على طول قدرة 1cm وتحت ضغط اولي قدره 1 ميلي متر زئبقي (بالنسبة لدرجة الحرارة النظامية) . ويرتبط الاحتمال والمقطع​ بالعلاقة التالية:

  P = L /760 .Q = 3.5357 × 10¹⁶Q

حيث L. عدد شميدت اي عدد الجسيمات في 1cm³ من الغاز في الشرطين النظاميين . يبين الشكل (2) احتمال التأين والشكل 42 احتمال تبادل الشحنة التجاوبي للهليوم والارغون كتابع لطاقة الجسيمات المتصادمة . وبما ان احتمال كل عملية متناسب مع المقطع فان كل منحنيات المقاطع سيكون لها نفس الشكل. مع اختلافها فقط بمقياس المحور الشاقولي . فمقطع التأين لدى الارغون اكبر منه لدى الهليوم من جراء نصف القطر الكبير للغلاف الالكتروني الخارجي. وان مقاطع تبادل الشحنة التجاوبي اكبر بحوالي عشر مرات من القيم العظمى للتأين.

اذا ما جرى الانتقال من حساب الاحتمالات الى المقاطع فانه سيكون واضحا ان مقاطع التأين من مرتبة10 ^-16 cm²  ومقاطع تبادل الشحنة من مرتبة 10 ^-15 cm² ولكن يبقى استخدام الاحتمالات هو الابسط لانه يعبر عنها بارقام انسب وهي من الواحد حتى المئة. 

الشكل (2)

تؤدي التصادمات المرنة الى تبعثر الجسيمات والى تبادل الطاقة. وهما مهمان من اجل الناقلية الكهربائية وعمليات النقل. وعادة ما تكون معامل الصدم المرن من مرتبة الابعاد الهندسية للذرة او الجزيئة وتعتبر مقاطع التبعثر المرن للالكترونات البطيئة على ذرات الغازات النادرة : كالارغون والكريبتون والكزنون صغيرة على نحو شاذ. وهنا بفضل ظاهرة الانعراج في الميكانيك الكوانتي يتبعثر الالكترون على قدر قليل جدا على الذرات وبالتالي فهو يعبر الغاز تقريبا وكأنه يمر في الفراغ.

الشكل (3): احتمال تبادل الشحنة لكل من الارغون والهليوم كتابع لطاقة الصدم.

هذا المفعول يدعى مفعول رمزاور. والذي يلاحظ عند طاقات للاكترون اقل بكثير من عتبات كافة العمليات غير المرنة.