实验指导书-等离子体.doc

合成氨 低温等离子体（甲烷转化）实验 一、实验目的 （1）初步了解现代反应技术在化工中的应用前景； （2）了解等离子体的基本性质和射频放电反应原理； （3）探索提高甲烷转化率的途径。 二、实验原理 等离子体化学反应得以进行源于其中基本粒子间的碰撞过程、碰撞中的能量转移以及随之产生的激发、电离和离解等基元反应。而激发、电离和离解的过程正是由不同物质的等离子体状态所决定。以下介绍等离子体基本粒子间的碰撞过程，激发、电离和离解等基元反应和帕邢定律。 1、等离子体中粒子间的碰撞 等离子体中粒子之间通过碰撞交换动能、位能和电荷，使气体分子发生激发、电离、离解和复合等物理过程。粒子间相互作用的过程相当复杂，但可以用相应的碰撞特征参量来表征。按照气体放电物理和等离子体物理的惯例，这里不考虑外电场的影响和粒子间的相互作用。 （1） 碰撞???的能量转移[1，2] 粒子间的碰撞可分为弹性碰撞和非弹性碰撞两种。在弹性碰撞中，参与碰撞的粒子位能不发生变化，只有运动速度和方向的变化。在非弹性碰撞中，参与碰撞的粒子发生了位能的变化。 为了使问题简化，设一速度为、质量为的粒子与另一静止的、质量为的粒子发生碰撞。碰撞后，两粒子的速度分别为和，它们与原来的速度方向的夹角分别为和。 由能量和动量守衡定律得： （1） （2） （3） 式中，为碰撞后粒子总位能的增加。由上三式消去和，可得： （4） 在弹性碰撞是=0，由式（4）可得： （5） 粒子1交给粒子2的动能为： （6） 式中为粒子1与粒子2碰撞时的动能损失百分比 （7） 从统计的角度，重要的是需要知道平均能量损失率。设为粒子2在碰撞后进入到范围的几率，可得： （8） 于是，平均能量损失率为 （9） 由上式可见，当弹性碰撞发生在电子和重粒子之间时，，即电子只给出很少的一部分能量。电子动能几乎不损失（一般小于0.1%），这样一来电子便得以在许多弹性碰撞的间隔部分被电场不断加速，达到使原子、分子电离所需要的能量水平[3]。 对于低温等离子体化学来说，重要的是非弹性碰撞，这是因为内能的变化可以引起粒子内态的许多种变化。 此时，，由式（4）可得： （10） 为使上式有意义，必须有 （11） 于是，内能的最大值 （12） 当非弹性碰撞发生在电子和重粒子之间时，，由上式可知，即电子可以交出所有的动能变为重粒子的位能，即电子在激发或电离重粒子时具有很高的效率。由此可见低温等离子体中电子密度的大小对于化学反应是非常重要的。 （2） 碰撞截面和碰撞频率 对于两个刚体球之间的碰撞，当它们两者之间的距离小于、等于它们的半径之和时将发生。考虑到各个方向的运动，通常用截面积来表示它们发生碰撞的可能性，简称碰撞截面。对于带电粒子，其互相作用范围远大于两个粒子的半径线度，有效碰撞截面可通过 （13） （—气体粒子数；—电子流；—=0处电子流）来测量。实验发现，与电子速度和气体种类有关，对于各种碰撞过程，可以用不同的有效碰撞截面去描写，如弹性碰撞截面、激发碰撞截面和电离碰撞截面。 粒子在单位时间内与其他粒子碰撞的次数称为碰撞频率，用表示。 （14） （—粒子的平均速度；—粒子密度） 粒子在连续两次碰撞之间所通过的路程称为自由程，用表示。 （15） 混合气体中气体分子的平均自由程为[4] （16） 其中，，1，2，3……，1，2，3…… —粒子的直径；—粒子的质量 2、等离子体化学的主要元反应 原子的能态由组成该原子的电子组态决定，当原子中各个电子处于一定的运动状态整个原子便具有确定的能量。分子的内能也是有分子内部运动状态决定的，但对于多原子的分子来说，分子结构比原子结构复杂的多。分子内部运动除电子跃迁外，还有分子中各原子在其平衡位置附近的微小振动和分子作为一个整体绕质心的转动等，每一种运动都具有一定