Российский ученый раскрыл механизм прилипания электронов к кислороду
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 имени 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.
Telegram 
Дзен 
VK Одной из главных анатомических особенностей эволюции рода Homo считается резкое увеличение объема черепной коробки за последние примерно два миллиона лет. За это время она в среднем увеличилась в три раза. Однако авторы нового исследования поставили под сомнение традиционную гипотезу, согласно которой этот процесс был результатом естественного отбора. По их мнению, он мог оказаться случайностью.
Сканирующая туннельная микроскопия достигла квантово-механического предела пространства-времени. Физики провели эксперимент и смоделировали перемещение одиночного электрона с атомарной точностью и скоростью в доли фемтосекунды. Результат показал границы применимости квантовых законов и объяснил механику сверхбыстрых процессов.
Британские палеонтологи установили, что самый первый окаменелый фрагмент динозавра, когда-либо найденный в Антарктиде, принадлежал титанозавру. Эта группа длинношеих ящеров-завроподов включает в себя самых огромных сухопутных существ, когда-либо ходивших по земле.
Анализ более 150 тысяч древних звезд Млечного Пути показал, что возраст космоса, судя по всему, близок к 13,8 миллиарда лет. Авторы нового исследования заключили, что сценарии, в которых Вселенную приходится делать заметно «моложе» ради решения хаббловского кризиса, плохо согласуются с наблюдениями. Это важно, поскольку возраст старейших светил — один из немногих независимых способов проверить космологические модели не по данным ранней Вселенной, а по объектам нашей собственной Галактики.
Сканирующая туннельная микроскопия достигла квантово-механического предела пространства-времени. Физики провели эксперимент и смоделировали перемещение одиночного электрона с атомарной точностью и скоростью в доли фемтосекунды. Результат показал границы применимости квантовых законов и объяснил механику сверхбыстрых процессов.
В 2025 году детекторы гравитационных волн уловили потенциальное слияние черных дыр крайне малой массы. Ученые из Университета Майами считают, что участники того события могут открыть новое направление в исследовании темной материи.
Хотя длительность помех не превышала десяти секунд, это первый известный случай такого рода. Обычно спутникам не хватает мощности для создания радиосигналов той силы, что нужна для подобных помех.
Вселенная может оказаться «замкнутой» глобальной структурой, где свет от далеких галактик способен возвращаться к наблюдателю с разных направлений. Именно такой сценарий не удалось исключить авторам нового масштабного обзора. Проверить его предсказания астрономы смогут уже в ближайшие годы.
Ученые впервые на молекулярном уровне доказали, что обычная вода одновременно состоит из двух разных жидких состояний — более плотного и менее плотного, которые непрерывно сменяют друг друга. Раз молекулярная «двойственность» действительно существует, это подтверждает спорную 30-летнюю гипотезу. Новое открытие поможет, наконец, объяснить десятки «странных» физических аномалий воды, включая ее расширение при замерзании и парадоксальное изменение вязкости под давлением.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
Понятно
Что-то в вашем комментарии показалось подозрительным, поэтому перед публикацией он пройдет модерацию.
Понятно
Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.
Понятно
Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.
Понятно
Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.
Понятно