Aula Condições para Produção de Íons num Gás em Equilíbrio Térmico
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- Vítor Martini Lopes
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1 Aula 2 Nesta aula, remos formalzar o coceto de plasma, rever osso etedmeto sobre temperatura de um gás e falmete, cohecer algus processos de ozação. 1.3 Codções para Produção de Íos um Gás em Equlíbro Térmco Da Físca Estatístca é possível determar o grau de ozação de um gás em equlíbro térmco a uma temperatura ( T ), sem cosderar os detalhes do processo de ozação. A equação de Saha relacoa as desdades de átomos ozados (íos) e átomos eutros com a eerga de ozação aplcada ao gás de átomos, de acordo com a equação = 2, T 3 / 2 e U KT 1.2.1,ode e são as desdades de íos e átomos eutros, respectvamete em part/cm 3, T é a temperatura do gás em Kelv, K é a costate de
2 Boltzma e falmete U é eerga de ozação em ev. Observação: U deota a eerga ecessára para remover do átomo o(s) elétro(s) da camada de valêca. A tabela abaxo relacoa os elemetos químcos com seus respectvos valores de U. Elemeto Químco Eerga de Iozação (ev) Hélo 24,59 Argôo 15,76 Hdrogêo 13,60 Ntrogêo 14,53 Mercúro 10,44 Sódo 5,14 Elemetos Químcos e seus respectvos valores de Eerga de Iozação. Como um exemplo, a fração de ozação (α ) da atmosfera terrestre (78% de Ntrogêo, 21% de Oxgêo e 1% de outros gases) a CNTP é
3 mas = 3 10 U T α 19 = 300K part. cm = 14,53eV + 3 Coclusão do exemplo: = = α = Sedo a desdade da atmosfera muto alta, o lvre camho médo ( l ) de um elétro é extremamete curto, como coseqüêca ão realza colsões eergétcas com os átomos, sedo capturado pelo mesmo, com sso o grau de ozação é mutíssmo baxo. Mas se a desdade do gás ao cotráro for baxa, altas frações de ozação podem ser atgdas. Para um gás de átomos qualquer, é possível determar, a relação etre o grau de ozação (α ) e a temperatura do gás (T ), para dferetes valores da desdade total do gás ( fgura abaxo t ), coforme mostra
4 Grau de Iozação para dferetes valores da desdade total. 1.4 Processos de Iozação Os Plasmas são gerados através de város processos de ozação. A maora destes processos é colsoal. Depededo da atureza da colsão: elástca ou elástca, pode ou ão ocorrer a ozação do átomo ou molécula eutra. Colsões elástcas: Ocorre apeas trasfreca de mometum etre o alvo e o projétl, portato ão ocorre ozação dos átomos ou moléculas eutras. Colsões elástcas: Ocorre troca de eerga etre o alvo e o projétl, portato pode resultar em extação ou até mesmo ozação dos átomos ou moléculas eutras.
5 Etre as extações por colsões elástcas, temos: Extação por Trasção de Níves Eletrôcos: * + B A B, * dca apeas extação A + Extação por Trasção de Níves Vbracoas:, A + BC( v) A + BC( v ) v freqüêca de vbração, ode e dcam Etre as ozações por colsões elástcas, temos: Iozação por Impacto Eletrôco: Iozação por colsões elástcas etre elétros e átomos) ou moléculas eutras, como um exemplo v, + e + A A + 2 e Tal ozação está, tmamete relacoada com a secção de choque (σ ) do alvo e a eerga do projétl cdete. A fgura abaxo mostra como exemplo, a secção de choque do Argôo em fução da eerga projétl cdete
6 Curva Secção de Choque versus Eerga para város alvos. Iozação por Impacto Iôco: Iozação por colsões elástcas etre íos e átomos ou moléculas eutras, observe o exemplo Observação: A + + 2A + e A A + A + + Algus processos correlatos aos feômeos de extação e ozação são: Relaxação: Ocorre quado elétros lgados os átomos extados, retoram ao seu ível de eerga orgal emtdo radação (fótos).
7 Dssocação Molecular: Quebra de moléculas por algum processo colsoal de ozação, observe o exemplo * + + e A + B + e AB 2, * dca apeas extação A reação versa correspode à ozação assocatva, observe o exemplo + + B + e AB + e * A 2 Recombação ou Captura Eletrôca: Processo verso ao da ozação, pos o ío captura o elétro perddo a ozação, observe o exemplo + A + e A A efcêca a captura dos elétros pelos íos está, tmamete relacoada com a secção de choque ( σ ) do ío. Algus processos de recombação podem resultar em emssão de fótos, sto é, uma recombação radatva, observe o exemplo
8 A + + e A + hv,ode hv é a eerga do fóto emtdo pelo ío Outros Tpos de Iozação: Fotoozação: Iozação obtda pela teração etre fótos e os átomos de um gás, como um exemplo + A+ hv A + e cdete, ode hv é a eerga do fóto A fgura abaxo mostra o processo de fotoozação Ilustração da Fotoozação. A efcêca a fotoozação está, tmamete relacoada com a secção de choque (σ ) do átomo e também ao comprmeto de oda (λ ) da luz cdete. A fgura abaxo mostra como exemplo, a secção de choque do Argôo em fução da eerga do fóto cdete
9 Curva Secção de Choque versus Eerga ou Comprmeto de oda para o Ar. Iozação por Ruptura Elétrca: Iozação duzda por um campo elétrco aplcado que, calmete polarza as cargas do átomo ou molécula e depos oza (depededo do módulo do campo elétrco). A fgura abaxo, mostra uma o processo de ozação por ruptura eletrôca Expermeto para Ruptura Eletrôca.
10 As curvas expermetas abaxo (curva de Pasche), mostram a mêca da ruptura eletrôca (ozação) para algumas moléculas e também para elemetos puros. Curva de Pasche para algumas Moléculas. Curva de Pasche para algus Elemetos Puros.
n. A densidade de corrente associada a esta espécie iônica é J n. O modelo está ilustrado na figura abaixo.
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