電子同原子碰撞
正文
當電子與原子碰撞時，入射電子與靶原子內部的電子和原子核之間的相互作用主要是庫侖相互作用。入射電子與靶原子之間可以進行動量和能量交換，碰撞前後的總動量和總能量分別守恆，由於進行了動量交換，被散射的電子將從碰撞中心以不同角度射出；由於進行了能量交換，被散射的電子將損失或獲得一定的動能。電子與原子的碰撞一般可分為無輻射碰撞和有輻射碰撞兩大類。無輻射碰撞 這種碰撞有彈性碰撞、非彈性碰撞和超彈性碰撞幾種。
① 彈性碰撞。碰撞時當入射電子轉移給靶原子的能量不能激發靶原子內的電子時，所轉移的能量就使靶原子作為整體而反衝。因為電子質量me比原子質量ma小得多,其反衝能量與入射電子能量之比在數量級上為
，一般小於 10-3。這類碰撞被稱為電子與原子的彈性碰撞或彈性散射。 ② 非彈性碰撞。當入射電子轉移給靶原子的能量能夠激發靶原子內的電子時，這類碰撞被稱為電子與原子的非彈性碰撞或非彈性散射。非彈性碰撞還可以進一步分為：電子碰撞激發，致使靶原子發生束縛能級之間的躍遷；電子碰撞電離，致使靶原子發生由束縛能級到自由能級的躍遷。電子碰撞電離的逆過程就是所謂三體複合過程。
③ 超彈性碰撞。當電子與處在激發態的原子碰撞時，入射電子還可以得到能量，這類碰撞被稱為超彈性碰撞，也就是電子碰撞激發的逆過程。
下圖顯示了電子與錳原子的碰撞結果,入射電子束能量為20eV。碰撞後,由於動量轉移,被散射的電子將以不同角度出射,並具有不同的能量損失,圖中表示散射角為20°時被散射電子的強度與能量損失的關係。可看出存在著能量損失為“零”的彈性峰──代表彈性散射電子的強度。能量損失小於錳原子第一電離閾值IP時，存在許多分立峰──它們分別代表各種電子碰撞激發的非彈性散射。圖中的符號 a6D，z6P，y6P等分別標明錳原子的各種不同的激發態。當能量損失大於電離閾值時，散射電子的強度將隨能量損失成連續的分布，代表電子碰撞電離的非彈性散射。這個例子說明：具有一定能量的電子與原子碰撞時，在滿足能量守恆定律和動量守恆定律的條件下，可以發生各種無輻射碰撞過程。
電子同原子碰撞有輻射碰撞 電子與原子碰撞時還會伴有輻射過程，有輻射的碰撞截面一般比較小，其過程可分為軔致輻射、輻射復合。
① 軔致輻射。電子與原子碰撞引起"電子與原子"作為整體的自由能級到自由能級之間的輻射躍遷。入射電子的部分動能將轉變為光子（電磁輻射）能量而射出（見軔致輻射）。
② 輻射複合。入射電子發射一定能量的光子後被靶原子俘獲形成穩定的負離子，這就是直接輻射複合過程。當入射電子具有特定動能時，可以激發原子內的電子，入射電子則由於損耗能量而被俘獲形成激發態的負離子，該激發負離子輻射衰變而變為穩定的負離子，這就是共振輻射複合。對於電子與離化態原子的共振輻射複合過程，一般也可以稱為雙電子複合過程。
套用和發展 在氣體放電現象中，各類電子與原子（或分子）的碰撞過程可以起到將能量從電源傳遞給放電氣體的作用。這時放電氣體內部存在著由電子碰撞激發而產生的激發態原子、由電子碰撞電離而產生的離子（或激發態分子、自由基等）以及與這些粒子有關的各種碰撞過程產物。要深入了解氣體放電現象，先要了解有關的微觀碰撞過程,在這個基礎上,對巨觀的放電特性建立一個完全的精確的認識。這當然需要所有有關碰撞過程的截面數據。目前人們尚未完全掌握截面數據，因此有關碰撞方面的研究尚在不斷深入。又如當電離輻射將能量貯積在氣體物質內部時,電子碰撞起重要作用,能使被貯積的能量輸運而分布在氣體物質內部。要進一步了解輻射作用的物理、化學及生物效應，需要定量地了解輻射作用的初期能量分布，為此有關的碰撞數據也是不可缺少的。在雷射器研製方面，如圖所示的電子與錳原子的碰撞，可以形成錳原子的 y6P激發能級的布居數反轉（即粒子數反轉）而產生531.4nm (y6P－a6D)的雷射。20世紀70年代以來，圍繞著一些大型套用性研究發展項目，如受控核聚變、氣體雷射等等，許多國家紛紛建立數據中心，專門研究和收集有關的碰撞截面。
碰撞研究除了配合有關分支學科的理論研究和有關套用性研究外，其本身也有特殊意義：電子與原子碰撞基本上是個量了多體動力學問題，多體間為長程的庫侖相互作用，雖然人們對這一問題已得到很多近似解答，但精確度卻有限。由於實驗測量的發展，這些有限的精確度的近似解逐步地得到驗證。當入射電子能量在電離閾值以下時，這類量子多體動力學問題可以嚴格地簡化為兩體問題（在質心繫中，成為單體問題）而得到嚴格解。基於這種物理圖像的理論稱為多通道量子數虧損理論。當入射電子的能量在電離閾值附近或大於電離閾值時，這類量子多體動力學問題能夠嚴格地簡化為有效的三體問題，但相互作用為長程庫侖相互作用的三體問題目前還沒有嚴格解。這是電子與原子碰撞方面的重要研究課題。
