1.1. Эффективное сечение.
Молекулы газа не все время движутся свободно, а сталкиваются с другими молекулами, в результате чего изменяют направление движения. Столкновения могут приводить и к другим последствиям, например, ионизация, реакция, возбуждение и девозбуждение и т.д.
Для описания вероятности столкновения с определенным результатом вводится эффективное сечение s.
Будем считать падающую частицу точечной, а частицу мишени имеющей такие размеры, что максимальная площадь, перпендикулярная направлению падающей частицы, равной s. Это воображаемая площадь, а не геометрическая. Она подбирается такой, чтобы вероятность рассматриваемого результата столкновения была равна вероятности того, что падающая частица, двигаясь прямолинейно без взаимодействия с другими частицами, попадет в площадку s.
Ранее в курсе механики мы вводили понятие эффективного дифференциального сечения
(1.1)
как отношения числа частиц , рассеянных в углы от до , к плотности потока падающих частиц (интенсивности пучка). Так, для дифференциального сечения рассеяния на твердом шаре получали:
|
|
, (1.2)
а полное сечение рассеяния (выбывания частицы из начального пучка) равнялось:
, (1.3)
где радиус твердого шара.
В нашем случае молекулы газа также имеют размеры, которые можно
задать введением некоторого параметра. Введем понятие эффективного
диаметра молекулы по аналогии с радиусом эффективного твердого шара
, на котором рассеивается молекула, рассматриваемая как
материальная точка.
Как видно из рисунка , эффективный диаметр молекулы уменьшается с ростом температуры, но это изменение сравнительно мало. Поэтому можно записать эффективное сечение рассеяния молекул аналогично рассеянию на твердом шаре:
(1.4)
Поскольку в объеме, в котором движется молекула
содержится не одна, а много других молекул газа, то
надо определить вероятность столкновения
рассматриваемой молекулы с одной из молекул,
оказывающихся на пути её движения.
Пусть концентрация молекул мишени равна .
Тогда на пути в объеме с поперечным сечением
содержится молекул мишени.
В этом случае суммарное сечение рассеяния равно
.
Поэтому вероятность того, что частица попадет
в одну из молекул мишени, т.е. рассеется
. (1.5)
1.2. Длина свободного пробега. Распределение по длинам свободного пробега.
Длина свободного пробега – это путь, который проходит молекула за время между двумя последовательными столкновениями.
Используя выражение (1.5), можно провести сравнительно простое рассуждение, позволяющее определить среднюю длину свободного пробега молекулы.
Эффективное сечение и концентрация частиц не зависят от координаты , поэтому вероятность столкновения растет пропорционально . Длина пути, на которой вероятность столкновения рассматриваемой молекулы с другими молекулами газа равна единице, и есть средняя длина свободного пробега
|
|
, (1.6)
откуда имеем для средней длины свободного пробега, обозначаемой :
. (1.7)
Поскольку каждая молекула движется хаотически, а все молекулы газа статистически распределены по объему, то иногда молекуле между двумя последовательными соударениями удается преодолеть довольно большое расстояние, в других случаях это расстояние может быть весьма малым. Т.о., длина свободного пробега является случайной величиной и должна подчиняться статистическим закономерностям.
Найдем распределение по длинам свободного пробега и среднюю длину свободного пробега молекулы,
используя методы статистической физики.
Определим число частиц в пучке, которые испытали
столкновение с молекулами мишени на промежутке от
до .
Пусть число частиц, которые пролетели расстояние без
столкновения равно , а расстояние .
Тогда относительное число частиц, «выбывших» из пучка,
равно
(1.8)
Знак “минус” в формуле (1.8) показывает, что число частиц в пучке убывает с ростом .
Обозначим
.
Тогда
Интегрируем (1.8) с учетом того, что число падающих на мишень частиц (при ) равно .
Получаем
(1.9)
Формула (1.9) определяет число молекул , проходящих путь без столкновений. Тогда вероятность молекуле пройти путь , не испытав столкновений, равна
(1.10)
Чтобы получить функцию распределения запишем вероятность того, что частица испытает столкновение на участке от до :
(1.11)
Итак, плотность вероятности
(1.12)
Условие нормировки записывается в виде:
(1.13)
Найдем среднюю длину свободного пробега.
(1.14)
Но этот результат справедлив в предположении, что все молекулы мишени неподвижны.
1.3. Учет движения молекул мишени.
Движение рассеиваемой молекулы можно представить как полет внутри некого туннеля – коленчатого цилиндра.
Объем коленчатого цилиндра (при ) равен
.
Число столкновений, которые испытает
интересующая нас молекула, равно числу молекул
мишени, попавших в объем такого цилиндра:
, (1.15)
где концентрация молекул газа.
Если бы все молекулы в объеме были неподвижны, то под средней скоростью следовало бы понимать среднюю скорость налетающей частицы. Однако все молекулы газа находятся в непрерывном движении, поэтому среднюю скорость следует рассматривать как среднюю скорость движения молекул относительно друг друга, т.е. . По определению относительная скорость равна:
(1.16)
где угол между векторами скоростей и (налетающей молекулы и молекулы-мишени).
Чтобы найти среднее значение относительной скорости , можно использовать распределение Максвелла по скоростям. Однако при этом придется производить довольно сложные вычисления, поэтому мы воспользуемся более простым приемом.
.
Поскольку и все значения угла равновероятны (скорости сталкивающихся молекул могут быть с одинаковой вероятностью направлены под любым углом друг к другу), то .
Далее, используя тот факт, что , получим
.
Тогда число соударений, определяемое средней скоростью относительного движения молекул, за время будет равно
.
Средняя длина свободного пробега может быть представлена как отношение пути, пройденного молекулой за время к числу столкновений с молекулами газа за тот же промежуток времени.
. (1.17)
Отсюда средняя длина свободного пробега молекулы:
Примечание:
1). Если температура постоянна , то средняя длина свободного пробега , т.к. плотность
.
2). При нормальных условиях , , газа занимает объем . Отсюда . Диаметр молекулы составляет примерно . Тогда длина свободного пробега и частота столкновений равны, соответственно
|
|
; .
2.1. Средняя длина свободного пробега в одном направлении.
Рассмотрим теперь одномерную задачу, т.е. нас будет интересовать пробег, совершаемый молекулой вдоль выделенного направления. Такой упрощенный подход правомерен, поскольку он охватывает все существенные черты изучаемых явлений.
Рассмотрим объем , испытав последнее столкновение в котором, молекулы могут достичь площадки .
Пусть объем содержит молекул, испытавших в нем столкновение
.
Доля молекул, летящих после столкновения к площадке , равна отношению телесного угла, под которым видна эта площадка из объема к полному телесному углу:
.
Далее, доля молекул, долетевших до площадки
без столкновения, определяется множителем
(см. (1.9)).
Тогда полное число молекул, не испытавших
на пути из элементарного объема
столкновений и пересекших площадку
определяется как
(2.1)
Можно записать вероятность молекуле
долететь из объема до площадки без
столкновений с другими молекулами, выразив
объем в сферических координатах и введя
нормировочную постоянную :
. (2.2)
Тогда среднее расстояние по оси определяется стандартным образом (делим на нормировочный интеграл):
. (2.3)
. (2.4)
Т.о., мы нашли, что среднее расстояние, пролетаемое молекулой в направлении оси после последнего столкновения до пересечения площадки , составляет от среднего значения длины свободного пробега.