Лев Аронович Сена

   
 

Эффект Сена

В дополнение к личным воспоминаниям о Льве Ароновиче Сена, содержащимся на этом сайте, я хотел бы описать чисто научное открытие, сделанное им и получившее название эффекта Сена. Со свойственной ему иронией Лев Аронович говорил, что он сделал для науки две вещи, предложил эстафетный характер переноса заряда и и открыл Зельдовича, и само это было большим вкладом в науку. Я не буду останавливаться на втором вопросе, хотя между прочим замечу, что и Яков Борисович Зельдович при всей своей серьезности не был лишен иронии. Моя дочь до сих вспоминает телефонный звонок «Передай папе, дедушка Яша звонил». Но я ставлю своей целью объяснить научную проблему, физику и историю которой достаточно хорошо знаю.

Эта проблема примыкает к проблеме переноса плазмы как целого. Давайте рассмотрим газ, который состоит из нейтральных атомов или молекул с малой концентрацией электронов и ионов — это и есть низкотемпературная, в частности, газоразрядная плазма. При этом плотность электронов и ионов одинакова, т.е.  плазма квазинейтральная, поскольку при нарушении этого возникают сильные электрические поля, которые и сохраняют квазинейтральность плазмы.

Теперь давайте рассмотрим перенос такой плазмы. Пусть газ занимает большой объем, и в малой части его находятся электроны и ионы. Очевидно, они будут стремиться распространиться по всему пространству. Однако, это произойдет специфическим способом. Электоны, как более мобильная компонента, будут пытаться оторваться от ионов, но тогда возникнут сильные электрические поля, и ионы под действием этих полей будут задерживать электроны. В результате плазма будет распространяться в окружающее пространство как целое, но со скоростью ионов. Этот процесс носит название амбиполярной диффузии и определяет скорость переноса плазмы на ее границе. В частности, для газового разряда такой перенос осуществляется в катодном слое, а также на стенки положительного столба газового разряда, где этот процесс определяет ионизационный баланс в плазме газового разряда.

Существенно, что скорость распространения низкотемпературной плазмы как целого определяется скоростью переноса ионов в газе, и теперь рассмотрим характер переноса ионов в газе, который происходит в результате столкновений отдельных ионов с атомами или молекулами газа. Мерой этих столкновений является длина свободного пробега ионов в газе, т.е.  проходимый ионом путь, на котором не происходит заметного рассеяния иона. Имеется два типа столкновений иона с атомами или молекулами газа, упругое столкновение иона с атомамис рассеянием на большой угол, как это происходит при соударении биллиардных шаров, а также резонансная перезарядка иона на атоме, как это имеет место, например, в инертном газе, содержащем атомные ионы. Во втором случае при прямолинейных траекториях иона и атома происходит переход электрона от одного атомного остатка к другому, так что хотя рассеяние сталкивающихся частиц отсутствует, ионом становится другая частица, что соответствует рассеянию иона. В этом случае параметры переноса ионов, в частности коэффициент диффузии ионов в газе, определяется длиной пробега иона относительно резонансной перезарядки, а не упругого рассеяния. Например, при комнатной температуре в слабом электрическом поле вклад упругого рассеяния в параметры переноса ионов составляет примерно 10%, и этот вклад падает с ростом температуры и напряженности электрического поля.

Таким образом, эффект Сена состоит в переносе заряда в результате резонансной перезарядки, когда упругое рассеяние иона на атоме отсутствует. Первоначально Лев Аронович назвал такой характер переноса ионов эстафетной передачей заряда. Наряду с этим, он представил наглядный способ определения параметров резонансной перезарядки, который, как впоследствии выяснилось, годится при участии в этом процессе возбужденных атомов. В то же время этот подход наряду с физическим представлением о характере процесса резонансной перезарядки дал зависимости скорости этого процесса от параметров столкновения, в частности, от скорости сталкивающихся частиц. Все это опубликовано работах [1–3].

В заключение добавлю несколько слов о своем участии в этой проблеме и тем обстоятельствах, при которых я познакомился с эффектом Сена. Я занимался резонансной перезарядкой и переносом ионов в шестидесятых. К тому времени был накоплен большой опыт по этой проблеме, выполнена масса измерений для параметров рассеяния иона на атомах, в том числе для резонансной перезарядки, как и понимание, что резонансная перезарядка в рамках квантовой механики является интерференционным процессом. Все это позволило развить аналитические методы для определения параметров резонансной перезарядки и параметров переноса ионов в собственном газе. Этот материал вместе с проведенными к тому времени измерениями закрывал определенное поле по этой проблеме, и я написал по этой теме обзор, который был опубликован в УФН в 1967 году. Изучая работы западных ученых, я не видел в них ссылок на работы Льва Ароновича и некоторых его последователей, включая статью, одним из соавтором которой был Ю.М.Каган. В этой работе было сказано, что коэффициент диффузии ионов в собственном газе может быть рассчитан на основе классической формулы для коэффициента диффузии, если сечение упругого рассеяния частиц в этой формуле заменить сечением резонансной перезарядки. Возник скандал по поводу отсутствия ссылки на эту работу в моем обзоре, и я должен был опубликовать добавление к обзору с включением этой ссылки. В процессе работы над этим добавлением я ознакомился с работами Льва Ароновича и, конечно, чувствовал свою вину перед ним, поскольку вклад его работ в данную проблему был несоизмерим с работой, отсутствие ссылки на которую ставилось мне в вину. Другим результатом этого скандала явилась задержка на год защиты моей диссертации, одной из глав которых была рассматриваемая проблема, в Ленинградском Государственном Университете (в то время нельзя было защищать диссертацию в своей организации).

Этот эпизод подчеркивает также великодушие Льва Ароновича и его отношение к жизни. Мы познакомились с ним в том же 1967 году на международной конференции по атомным столкновениям, которая происходила в Ленинграде. Он отнесся к тому, что произошло, с юмором, а ко мне очень доброжелательно. Когда по моей просьбе он подарил мне свою работу 1939 года, он на ней написал. «Конечно, вы, молодые, умнее нас, поскольку если бы было наоборот, человечество развивалось бы к обезьяне» . Эффект Сена характеризует и самого автора, глубину и простоту его мышления.


Б. М. Смирнов


Литература

  1. Л. А. Сена. ЖЭТФ 9, 1320(1939)
  2. Л. А. Сена. ЖЭТФ 16, 734(1946)
  3. Л. А. Сена. Столкновения электронов и ионов с атомами. (Гостехиздат, Ленинград, 1948).

   
  Если у вас есть материалы для сайта, посвященного Льву Ароновичу Сена, присылайте их, пожалуйста, на адрес lev@sena.ru