Aula 2
Nesta aula, iremos formalizar o conceito de
plasma, rever nosso entendimento sobre temperatura
de um gás e finalmente, conhecer alguns processos
de ionização.
1.3 Condições para Produção de Íons num Gás em
Equilíbrio Térmico
Da Física Estatística é possível determinar o grau
de ionização de um gás em equilíbrio térmico a uma
temperatura ( T ), sem considerar os detalhes do
processo de ionização.
A equação de Saha relaciona as densidades de
átomos ionizados (íons) e átomos neutros com a
energia de ionização aplicada ao gás de átomos, de
acordo com a equação 1.2.1
U
3/ 2
− i
ni
T
15
= 2,11× 10
e KT
nn
ni
1.2.1
,onde ni e n n são as densidades de íons e átomos
neutros, respectivamente em part/cm3, T é a
temperatura do gás em Kelvin, K é a constante de
Boltzmann e finalmente U i é energia de ionização
em eV.
Observação:
U i denota a energia necessária para remover do
átomo o(s) elétron(s) da camada de valência. A tabela
abaixo relaciona os elementos químicos com seus
respectivos valores de U i .
Elemento Químico
Energia de Ionização (eV)
Hélio
Argônio
Hidrogênio
Nitrogênio
Mercúrio
Sódio
24,59
15,76
13,60
14,53
10,44
5,14
Elementos Químicos e seus respectivos valores de Energia
de Ionização.
Como um exemplo, a fração de ionização ( α ) da
atmosfera terrestre (78% de Nitrogênio, 21% de
Oxigênio e 1% de outros gases) na CNTP é
nn = 3 × 1019 part.cm −3

T = 300 K


U i = 14,53eV

ni
ni
α
=
≅
mas
ni + n n n n
⇒
ni
= 10−122
nn
∴α = 10 −122
Conclusão do exemplo:
Sendo a densidade da atmosfera muito alta, o livre
caminho médio ( l ) de um elétron é extremamente
curto, como conseqüência não realiza colisões
energéticas com os átomos, sendo capturado pelo
mesmo, com isso o grau de ionização é muitíssimo
baixo.
Mas se a densidade do gás ao contrário for baixa,
altas frações de ionização podem ser atingidas.
Para um gás de átomos qualquer, é possível
determinar, a relação entre o grau de ionização ( α )
e a temperatura do gás ( T ), para diferentes valores
da densidade total do gás ( nt ), conforme mostra
figura abaixo
Grau de Ionização para diferentes valores da densidade
total.
1.4 Processos de Ionização
Os Plasmas são gerados através de vários
processos de ionização. A maioria destes processos é
colisional. Dependendo da natureza da colisão:
elástica ou inelástica, pode ou não ocorrer a
ionização do átomo ou molécula neutra.
Colisões elásticas: Ocorre apenas transfrencia de
momentum entre o alvo e o projétil, portanto não
ocorre ionização dos átomos ou moléculas neutras.
Colisões inelásticas: Ocorre troca de energia entre
o alvo e o projétil, portanto pode resultar em exitação
ou até mesmo ionização dos átomos ou moléculas
neutras.
Entre as exitações por colisões inelásticas, temos:
Exitação por Transição de Níveis Eletrônicos:
A + B → A + B * , * indica apenas exitação
Exitação por Transição de Níveis Vibracionais:
A + BC (v ) → A + BC (v , ) , onde v e
v , indicam
freqüência de vibração
Entre as ionizações por colisões inelásticas, temos:
Ionização por Impacto Eletrônico: Ionização por
colisões inelásticas entre elétrons e átomos) ou
moléculas neutras, como um exemplo
e − + A → A + + 2e −
Tal ionização está, intimamente relacionada com a
secção de choque ( σ ) do alvo e a energia do projétil
incidente.
A figura abaixo mostra como exemplo, a secção de
choque do Argônio em função da energia projétil
incidente
Curva Secção de Choque versus Energia para vários alvos.
Ionização por Impacto Iônico: Ionização por
colisões inelásticas entre íons e átomos ou moléculas
neutras, observe o exemplo
2 A + + e −
A + A→
+
 A+ A
+
Observação:
Alguns processos correlatos aos fenômenos de
exitação e ionização são:
Relaxação: Ocorre quando elétrons ligados nos
átomos exitados, retornam ao seu nível de energia
original emitindo radiação (fótons).
Dissociação Molecular: Quebra de moléculas
por algum processo colisional de ionização, observe o
exemplo
AB + e − → A* + B + + 2e − , * indica apenas exitação
A reação inversa corresponde
associativa, observe o exemplo
à
ionização
A* + B + + 2e − → AB + e −
Recombinação ou Captura Eletrônica: Processo
inverso ao da ionização, pois o íon captura o elétron
perdido na ionização, observe o exemplo
A+ + e − → A
A eficiência na captura dos elétrons pelos íons
está, intimamente relacionada com a secção de
choque ( σ ) do íon.
Alguns processos de recombinação podem resultar
em emissão de fótons , isto é, uma recombinação
radiativa, observe o exemplo
A + + e − → A + hv ,onde hv é a energia do fóton
emitido pelo íon
Outros Tipos de Ionização:
Fotoionização: Ionização obtida pela interação
entre fótons e os átomos de um gás, como um
exemplo
A + hv → A+ + e − , onde hv é a energia do fóton
incidente
A figura abaixo mostra o processo de fotoionização
Ilustração da Fotoionização.
A eficiência na fotoionização está, intimamente
relacionada com a secção de choque ( σ ) do átomo e
também ao comprimento de onda ( λ ) da luz
incidente.
A figura abaixo mostra como exemplo, a secção de
choque do Argônio em função da energia do fóton
incidente
Curva Secção de Choque versus Energia ou Comprimento
de onda para o Ar.
Ionização por Ruptura Elétrica: Ionização
induzida por um campo elétrico aplicado que,
inicialmente polariza as cargas do átomo ou
molécula e depois ioniza (dependendo do módulo do
campo elétrico).
A figura abaixo, mostra uma o processo de
ionização por ruptura eletrônica
Experimento para Ruptura Eletrônica.
As curvas experimentais abaixo (curva de
Paschen), mostram a iminência da ruptura eletrônica
(ionização) para algumas moléculas e também para
elementos puros.
Curva de Paschen para algumas Moléculas.
Curva de Paschen para alguns Elementos Puros.