Рекомбинация - процесс, обратный ионизации. Состоит в захвате ионом свободного электрона. Рекомбинация электрона и иона – процесс, ответственный за исчезновение заряженных частиц в слабоионизованном газе и плазме. В том случае, когда в рекомбинации участвуют атомные ионы, этот процесс возможен при участии третьей частицы или должен сопровождаться излучением фотона. Эта третья частица или фотон уносят избыток энергии, выделяющейся при образовании связанного состояния электрона и иона. При наличии молекулярного иона процесс рекомбинации может идти при парном столкновении частиц. Тогда избыток энергии переходит в кинетическую энергию ядер и сопровождается развалом молекулярного иона. Такой процесс носит название диссоциативной рекомбинации. Естественно, что эффективность нейтрализации зарядов за счет диссоциативной рекомбинации как парного процесса за редкими исключениями значительно выше эффективности исчезновения заряда при тройной рекомбинации или при излучательной рекомбинации электронов и ионов в газе или плазме. Поэтому диссоциативная рекомбинация в тех условиях, когда она возможна, является главной причиной исчезновения заряженных частиц в объеме. Поскольку диссоциативная рекомбинация протекает при участии молекулярных ионов, ее исследование имеет смысл при не очень высоких температурах газа. Максимальные температуры газа, представляющие интерес для данного процесса, составляют несколько тысяч градусов, максимальные температуры электронов – несколько электрон-вольт. За пределами этих параметров данный процесс не представляет практического интереса.

При энергии электрона порядка энергии диссоциации сечение диссоциативной рекомбинации имеет порядок эффективного сечения молекулярного иона. С уменьшением энергии сечение растет. Типичные значения коэффициента диссоциативной рекомбинации при T_e<1 эВ лежат в диапазоне

Существует два основных механизма рекомбинации. В случае, когда реализуется прямой механизм диссоциативной рекомбинации, электрон захватывается в автоионизационное состояние, отвечающее отталкиванию ядер. Последующий разлет ядер приводит к стабилизации этого состояния, то есть к рекомбинации. Другой механизм диссоциативной рекомбинации, который называют непрямым, включает в себя две стадии. Сначала электрон захватывается на возбужденный колебательный уровень электронно возбужденной молекулы либо захватывается на автоионизационный уровень молекулы другим способом, возбуждая внутренние степени свободы молекулярного иона. Далее происходит предиссоциация возбужденной молекулы, сопровождающаяся переходом в другое (более низкое) возбужденное состояние атомов и разлетом ядер. В результате избыток энергии переходит в кинетическую энергию ядер. Однако, поскольку связь между электронным и ядерным движением слабая, второй переход из возбужденного колебательного состояния электронно возбужденной молекулы гораздо менее вероятен, чем обратный распад этой молекулы на электрон и молекулярный ион. Поэтому непрямой механизм диссоциативной рекомбинации менее эффективен. Он может иметь место в случае, когда ион имеет сложную внутреннюю структуру, так что существует много возможностей для возбуждения внутренних степеней свободы. Такая ситуация может осуществиться при диссоциативной рекомбинации с участием кластерного иона. Диссоциативная рекомбинация несложных молекулярных ионов протекает по прямому механизму.

При диссоциативной рекомбинации выделяется энергия

Если эта энергия очень велика, как в случае инертных газов

то вероятность трансформации энергии в кинетическую низка(это общее правило), и один из образующихся атомов, как правило оказывается возбужденным. Связанное с ним линейчатое излучение называется рекомбинационным.
Для сильно связанных молекулярных ионов ситуация другая

поэтому вероятность образования невозбужденных продуктов велика.
 

 

 

Процесс диссоциативной рекомбинации играет важную роль в физике газовых лазеров. Благодаря все более глубокому изучению процесса диссоциативной рекомбинации были разработаны эксимерные лазеры. Эксимерные лазеры, работающие на переходах димеров или галогенидов инертных газов, являются уникальными источниками когерентного ультрафиолетового излучения, обладающими высокими энергетическими характеристиками.

Данный процесс определяет баланс заряженных частиц в различных явлениях, протекающих в газовом разряде, атмосфере Земли, в плазме.

В верхних слоях атмосферы вследствие очень низкой плотности вещества вероятность столкновения между молекулами и передачи энергии очень мала. Поэтому почти все акты рекомбинации электронов с молекулярными ионами приводят к диссоциации:

Атомарный азот, содержащийся в верхних слоях атмосферы, образуется главным образом в результате диссоциативной рекомбинации.

Эксимерный лазер – разновидность ультрафиолетового химического лазера, широко применяемая в глазной хирургии и полупроводниковом производстве. Термин эксимер (англ. excited dimer) обозначает возбуждённый димер и обозначает тип материала, используемого в качестве рабочего тела лазера. Первый эксимерный лазер был представлен в 1971 году Николаем Басовым, В. А. Даниличевым и Ю. М. Поповым, в Физическом институте им. П. Н. Лебедева в г. Москве. Лазер использовал димер ксенона (Xe₂), возбуждаемый пучком электронов для получения вынужденного излучения с длиной волны 172 нм. В дальнейшем стали использовать смеси благородных газов с галогенами (например, XeBr), что было запатентовано в 1975 году Джорджем Хартом и Стюартом Сирлесом из исследовательской лаборатории ВМС США. Лазерное излучение эксимерной молекулы происходит вследствие того, что она имеет «притягивающее» (ассоциативное) возбуждённое состояние и «отталкивающее» (неассоциативное) основное – то есть молекул в основном состоянии не существует. Это объясняется тем, что благородные газы, такие как ксенон или криптон высокоинертны и обычно не образуют химических соединений. В возбуждённом состоянии (вызванном электрическим разрядом), они могут образовывать молекулы друг с другом (димеры) или с галогенами, такими как фтор или хлор. Поэтому появление молекул в возбуждённом связанном состоянии автоматически создаёт инверсию населённостей между двумя энергетическими уровнями. Такая молекула, находящаяся в возбуждённом состоянии, может отдать свою энергию в виде спонтанного или вынужденного излучения, в результате чего молекула переходит в основное состояние, а затем очень быстро (в течение пикосекунд) распадается на составляющие атомы. Несмотря на то, что термин димер относится только к соединению одинаковых атомов, а в большинстве эксимерных лазеров используются смеси благородных газов с галогенами, название прижилось и используется для всех лазеров аналогичной конструкции.