Физик из МФТИ рассчитал скорость трехчастичного присоединения электрона к молекуле кислорода в газовых смесях с большим содержанием паров воды. Эти результаты перспективны как для плазменных технологий, в том числе в быстро развивающейся плазменной медицине, так и при описании электрических явлений в атмосфере. Работа опубликована в журнале Physics of Plasmas.
Трехчастичное присоединение электрона — это процесс, в котором электрон присоединяется к молекуле кислорода (O2), образуя стабильный отрицательный ион (O2⁻). Это приводит к существенному изменению электропроводности и других важных свойств слабоионизованного воздуха и плазмы в нем. Чтобы эта реакция произошла, необходима третья нейтральная частица, которая заберет избыточную энергию, выделяемую при формировании иона. Процесс называется трехчастным, так как требует три частицы для его осуществления. Понимание механизма протекания этой реакции важно для понимания механизма потери электронов в ионосфере Земли, в плазме газовых разрядов и при создании искусственных источников ионизации. Особенность данного процесса состоит в его существенном ускорении при добавлении в воздух и другие газы молекул воды, что делает изучение этой реакции особенно актуальным для исследований плазмы вблизи поверхности воды и биологических объектов.
Ранее реакция трехчастичного присоединения электрона к молекуле кислорода в смесях с парами воды рассматривалась только для «холодных» электронов при комнатной температуре. Недавно были получены экспериментальные данные по скорости этой реакции с высокогоэнергичными электронами, нагреваемыми в смесях воздуха с парами воды сильным электрическим полем. На основе этих данных Николай Александров, профессор МФТИ, разработал теоретический подход, описывающий кинетику превращения электронов в отрицательные ионы в такой системе.
Стандартные методы, применимые для описания присоединения электронов к молекулам кислорода, оказались неприменимы для случая третьего тела – молекулы воды из-за ее аномально большого постоянного дипольного момента. Поэтому был нужен новый подход, описывающий кинетику рассматриваемого трехчастичного процесса в газовых смесях с большим содержанием паров воды.
«Сначала нужно было определить вклад различных автоионизационных состояний молекулярных ионов кислорода в процесс данной трехчастичной реакции, используя результаты экспериментального исследования, в котором измерялась скорость прилипания электронов к молекуле кислорода в разряде. Полученные данные помогли понять, какие состояния нестабильных ионов кислорода играют основную роль в реакции с водой, и предложить общий подход для вычисления скорости гибели электронов и образования отрицательных ионов в кислородсодержащих газовых смесях с большим содержанием паров воды в зависимости от электрического поля», — рассказал Николай Александров, профессор Центра образовательных программ Физтех-школы физики и исследований им. Ландау МФТИ.
Неожиданный результат показали газовые смеси с 50-ти процентным содержанием молекул воды. Для них коэффициент скорости гибели электронов практически не меняется при увеличении электрического поля и средней энергии электронов в несколько раз. Выяснилось, что процесс наиболее эффективен, когда в реакции участвуют электроны с энергией 0,09 эВ, доля которых может сохраняться даже при сильном изменении электрического поля из-за неравновесного характера распределения электронов по энергиям. Таким образом, константа скорости реакции зависит не только от средней энергии электронов, но и от состава газовой среды при наличии в ней большого содержания паров воды.
Ученый обнаружил, что с увеличением давления в этих же смесях константа скорости реакции начинает снижаться даже при умеренных давлениях. Такой эффект насыщения происходит из-за того, что при большом количестве, молекулы воды начинают препятствовать спонтанному развалу нестабильных ионов кислорода, переводя эти ионы в стабильные состояния. Этот же явление наблюдалось и в экспериментальной работе.
Предложенный подход позволяет надежно рассчитывать скорость трехчастичного превращения электронов в отрицательные ионы кислорода в различных газовых смесях с большим содержанием воды и объясняет экспериментальные наблюдения в смесях воздуха с парами воды в сильном электрическом поле.
Работа вносит вклад в понимание процессов в неравновесной плазме и может применяться для моделирования разрядных процессов и плазменных взаимодействий в средах с водяным паром.
