5.1 等離子體化學
固體物質的三種狀態液體
氣體在產生等離子體的放電空間存在：
離子、電子、高度激發的分子和原子
進行等離子體化學——是指如何有效地運用這類化學反應的一門科學及其研究範疇。
應用：乾法製造積體電路工藝
無機、有機材料的表面改性
薄膜的製備方法
5.1.1 等離子體
1.等離子體原理
氣體分子分解和電離電離氣體
※電離氣體與原來氣體的區別：
（1）在組成上不同
普通氣體是由電中性的分子或原子組成的，
電離氣體是由帶電粒子和中性粒子組成的；
（2）在性質上不同
①電離氣體是導電流體，而又能在與氣體體積相比擬的巨集觀尺度內保持電中性；
②氣體分子間不存在靜電磁力
電離氣體中的帶電粒子間存在庫侖力，導致帶電粒子群的種種集體運動；
③電離氣體作為乙個帶電粒子系，其運動行為受到磁場的影響和支配
∴ 電離氣體是有別於普通氣體的一種新的物質聚集態等離子體——就是電離氣體，是由電子、離子、原子、分子或自由基等粒子組成的集合體。
特點： 電離氣體中的正電荷總數和負電荷總數相等，故稱為等離子體。
2.等離子體的溫度
當系統呈熱平衡狀態時：
氣體粒子的運動速率服從麥克斯韋爾分布
在等離子體中，粒子的平均動能與溫度的關係為：
—粒子的質量
—溫度—速度平方的平均值
—波爾茲曼常數
對普通氣體： 粒子具有相同的平均動能；
對等離子體： 電子、離子和中性分子具有不同的平均動能上式中的溫度對應於粒子的平均動能
∴ 等離子體的溫度：
電子溫度
離子溫度
氣體溫度
p105圖5-1： 是氣體在放電過程中，等離子體溫度和壓力的關係壓力104pa： 與平衡
壓力<104pa： 與距離↑
壓力<102pa： →常溫
：1～105k
等離子體分類：
高溫等離子體
低溫等離子體
高溫等離子體： 太陽、恆星、閃電等等，佔宇宙的99％在溫度足夠高時發生
人類已掌握利用電場和磁場來控制等離子體：
如：焊工用高溫等離子體焊接金屬
低溫等離子體： 已廣泛用於多種生產領域
例如： 等離子電視
嬰兒尿布表面防水塗層
電腦晶元中的蝕刻運用→網路時代實現
等等在常溫下發生的
主要應用：①氧化、變性等表面處理
②在有機物和無機物上進行沉澱
塗層處理
等等本節主要討論低溫等離子體化學
3.等離子體密度
構成等離子體的粒子： 電子
離子激發分子
多數離子： 正離子
o2、鹵素可為負離子 ∵電子親和力大
若——表示電子密度
——表示離子密度
則在等離子體狀態，有如下關係：
此式稱為電中性條件
——稱為等離子體密度
上式成立的條件：
——系統特徵長度，即等離子體的尺寸
稱為德拜長度
德拜長度的概念：
在等離子體中，由於異性相吸，乙個帶電粒子
總是被一些帶異號電荷的粒子包圍，這樣帶電
粒子的靜電場只能在一定距離起作用，在此距
離外因周圍異號電荷的遮蔽，電場迅速消失，
這個距離稱為～，又稱德拜遮蔽距離。
：是靜電作用的遮蔽半徑，是統計意義下的概念又是區域性電荷分離的空間尺度
當遠小於時，等離子體巨集觀上是電中性的，
即的電離氣體才能叫做等離子體。
的計算式：
控制等離子體密度的方法：
採用增加或減少放電電流的方法
5.1.2 等離子體空間的各種現象
等離子體空間存在的現象包括：
碰撞激發和電離
復合附著和離脫
擴散和遷移
1.等離子體中的碰撞
等離子體中含有： 帶電粒子（電子、離子）
中性粒子（原子、分子）
碰撞：中性粒子間的碰撞： 參見分子運動論
帶電粒子與中性粒子間的碰撞： 接近中性粒子間的碰撞帶電粒子間的碰撞
（1）等離子體中的能量流
p106圖5-2： 參照教材文字簡單講解（2）彈性碰撞和非彈性碰撞
彈性碰撞：
當粒子碰撞時，無論是哪個粒子的內能都沒有改變時，稱為～。
非彈性碰撞：
當粒子碰撞時，內能發生變化的稱為～。
（3）碰撞截面
碰撞發生與否及發生的機率大小，用碰撞截面概念來表述。
如p107圖5-3所示： 設粒子的速度為v，氣體薄層的厚度為dx，面積為s
當運動的粒子垂直入射並通過氣體薄層時：
發生碰撞的機率：
與體積元sdx中的靶粒子數成正比
與面積s成反比
設靶粒子的密度為n，且碰撞是完全隨機的，
則碰撞機率p為：
上式中的比例係數表示：
在該體積元中乙個入射粒子與乙個
靶粒子發生碰撞的機率。
具有面積量綱， ∴稱為碰撞截面
碰撞截面的大小與相碰粒子的種類
粒子間的相對速度
對激發過程和電離過程： 還可定義
激發截面電離截面的概念
（4）碰撞頻率和平均自由程
碰撞頻率——乙個以速度v運動的入射粒子在單位時間內與靶粒子的碰撞次數稱為～。
碰撞頻率的計算式：
—靶粒子密度
—入射粒子的速度
—碰撞截面
平均自由程——乙個粒子在前後兩次碰撞之間行經路程的平均值稱為該粒子的～。
的物理意義： 表示入射粒子在1cm行程中的碰撞次數2.激發和電離
等離子體空間的另乙個現象
原子的能態由它的電子狀態決定
在無外來作用時：原子中的電子在各自的穩定軌道上運動原子處於基態穩定狀態
當原子受到光照或高速電子撞擊等激勵時：
乙個或幾個電子躍遷到高能級
原子便由基態 → 激發態不穩定狀態
當基態原子獲得的能量足夠大時：
原子中的電子成為自由電子
原子成為正離子
這一過程稱為原子的電離
（1）電離和電離截面
①電子碰撞電離
反應式：
ａ——氣態原子或氣態分子
為簡化，下面不再註明碰撞前後入射粒子的速度變化電子碰撞電離：是等離子體中產生帶電粒子的主要途徑電子碰撞電離截面與電子能量的關係：
電子能量《電離閾值時：
截面為零
電子能量超過閾值的一定範圍內：
截面急劇↑ 達極大值
電子能量進一步↑ 截面↓
②亞穩態粒子的作用
亞穩態粒子——存續壽命很長（1ms~1s）的某種激發粒子稱為～。
亞穩態粒子的生成機制有以下幾種：
分別為某粒子的基態、激發態、亞穩態
③離子碰撞電離
反應式為：
條件： 入射離子的動能比靶離子電離能高得多時，才產生顯著的電離作用
④光電離
設粒子的電離能為，光子能量為
當時， 發生光電離
外界的入射光
引起光電離
等離子體輻射
直接電離
光電離自電離
直接電離：是分子中的某一電子被光子直接「擊出」而電離。
電子碰撞電離：是分子首先被光共振激發到某一能量，高於電離能的超激發態，該狀態容易被微擾而躍
遷到乙個離子自由電子狀態。
（2）激發和激發截面
在弱電離等離子體中，中性粒子的激發主要由電子碰撞引起基態原子通過與自由電子的非彈性碰撞得到能量而產生躍遷躍遷過程分兩種：
光學允許躍遷
光學禁阻躍遷： 也稱為亞穩躍遷
∵ 激發態能級為亞穩能級
p109圖5-4：參照教材文字簡單講解
3.復合過程
復合：是電離的逆過程，由電離產生的正負離子之間或正離子與電子間重新結合成中性原子或分子的過程。
復合過程：
發生在氣相，稱為空間復合
發生在器壁或電極等固體表面，稱為表面復合
主要的空間復合有以下四種：
（1）三體碰撞復合
↓第三體 ：激發態
第三體除電子外，也可是氣體原子或容器壁、電極表面等，即：
（2）輻射復合
↓多餘的能量以光輻射形式釋放
（3）雙電子復合
雙電子復合：指電子和離子相碰後經過乙個能量高於電離能的超激發態，最後變成穩定原子的復合過程。
↓超激發態
以上三種復合均有電子參加，統稱為電子復合，即：
三體碰撞復合
電子復合輻射復合
雙電子復合
（4）正負離子碰撞復合
主要有以下三種：
①輻射復合：
②電荷交換復合：
③三體復合：
：動能項
4.附著和離脫
正離子放電等離子體中的帶電粒子包括電子
負離子附著——原子或分子捕捉電子生成負離子的過程稱為～。
離脫——附著的逆過程稱為～。
5.擴散和遷移
（1）擴散和擴散係數
擴散——在非平衡等離子體中，帶電粒子分布是不均勻的，粒子從高密度向低密度處的定向運動稱為～。
設粒子密度n只是位置的函式，沿某個方向的一維擴散在單位時間內流過單位截面積的粒子數j與密度梯度成正比，即：
－擴散係數
－密度梯度
－粒子的平均自由程
－粒子的熱運動平均速度
在低溫等離子體中，離子的擴散係數為：
電子的擴散係數：
（2）遷移和遷移率
遷移——在弱電離等離子體中，帶電粒子在電場作用下的運動稱為～。
平均遷移速度與電場強度的關係：
－平均遷移速度
－電場強度
－遷移率
外加電場時： 遷移和擴散同時起作用，此時帶電粒子的擴散係數與遷移率間的關係為：
－溫度－電子電荷
此式為愛因斯坦關係式，表明之比與溫度成正比5.1.3 低溫等離子體的發生與放電特性1.低溫等離子體的發生
氣體放電：
在電場作用下氣體被擊穿而導電的物理現象稱為～。
氣體放電等離子體：
由氣體放電產生的電離氣體稱為～。
即，等離子體的主要發生方法：
氣體放電
按所加電場的頻率不同，分類：
◇直流放電
◇低頻放電：1～100khz 用的少◇高頻放電：10～100mhz 用的多，又稱為射頻放電◇微波放電： >1ghz
▲湯生放電
▲電暈放電
▲輝生放電
▲弧光放電
前期輝光：f段
輝生放電分三個階段正常輝光：g段
異常輝光：h段
2.低溫等離子體的放電特性
輝光放電是低溫等離子體化學領域廣泛應用的放電形式。
輝光放電既可提供反應活性種或作為化學反應的介質，同時又能使體系保持非平衡狀態，這對低溫等離子體化學來說是至關重要的。
∴ 在濺射、等離子體蝕刻、等離子體化學氣相沉積等許多應用領域，「輝光放電」幾乎是「低溫等離子體」的同義語。
（1）直流輝光放電
p113圖5-6： 直流輝光放電時典型的空間狀況和引數分布說明圖圖a： 表示放電管空間區域結構
圖b～f： 分別為發光強度、電位、電場等引數分布曲線從圖a： 放電管沿陰極到陽極分八個區域：
①阿斯頓暗區
②陰極輝光區
③陰極暗區
④負輝區
第五章化學計算
初中化學計算大體包括四種型別 有關化學式的計算 有關化學方程式的計算 有關溶液的計算以及有關化學式 化學方程式 溶液的綜合計算。化學計算的四種型別大體有下列常見題型 一 有關化學式的計算 1.關於相對分子質量計算 已知化學式求相對分子質量 2.關於化合物中元素質量比的計算 根據化學式求元素質量比 已...
第五章化學處理法
通過藥劑與汙染物的反應，把廢水中有毒害的汙染物轉化為無毒或微毒物質的處理方法稱為化學處理法。與生物法相比，化學氧化還原法需較高的執行費用。因此目前僅用於飲用水處理 特種工業水處理 有毒工業廢水處理和以回用為目的的廢水深度處理等場合。5.1 中和 5.1.1 概述 高濃度 高濃度的廢酸液 廢鹼液往往要...
建築材料14第五章
備課紙教學過程 一 輕混凝土 輕混凝土是指表觀密度小於1950kg m3的混凝土。可分為輕集料混凝土 多孔混凝土和無砂大孔混凝土三類。輕混凝土的主要特點為 1 表觀密度小 輕混凝土與普通混凝土相比，其表觀密度一般可減小1 4 3 4，使上部結構的自重明顯減輕，從而顯著地減少地基處理費用，並且可減小柱...