３．９ 衝突散乱現象
気体粒子の粒子間と液体への衝突に関しては、すでに 粒子の衝突で取り上げています。ここでは荷電粒子を含んだ気体中の構成粒子間の衝突散乱現象について取り扱います。各種の衝突において、衝突の結果(中性)気体粒子内電子のエネルギ準位が変化する衝突を非弾性衝突、変化しないものを弾性衝突と定義します。衝突により励起や電離が生ずるものが非弾性衝突です。溶接で考えている粒子間の衝突では、気体内の粒子の内帯電しているイオンや電子の量はほんのわずかであり、ほとんどは弾性衝突です。気体粒子が２回の衝突の間に飛行する距離を自由工程と呼びます。個々の粒子の自由工程は熱速度分布と同じような統計的分布で異なっています。しかし、気体粒子の数は天文学的な量であり、多数の自由工程についての平均値は、一定の圧力と温度の下では一定の値に収束します。この平均値を平均自由工程といいます。
最近、ビッグデータ関連で統計学がクローズアップされており、最近の書籍をじっくり読み込み、昔愛読していたプルーストやブルバキあるいは世界大戦時のフランスの市民感情について、新たな認識ができました。検討対象の分布則に何を使うべきかについては、当然一番重要ですが、本当にその分布が成立するのかについては、未だに理解できていません。平均値についての最近の話題は富豪と一般市民の年収についてだと思いますが、平均値に何を使うのかについては恣意的なものがあります。多くの書籍でも何を平均値に用いるのかについて、著者が誤解しているのでは？と感じるものもあります。
右図に代表的な平均値を示します。放射光の分布では、ピーク値に該当する値が通常用いられ、普通の統計的取り扱いでは二乗平均値が用いられます。単なる平均値や中間値(メディアン)が用いられる分野も多くあります。プラズマの衝突散乱現象では、二乗平均と通常の平均を場合に応じて適宜使い分けて説明しているのが眼につきます。一応、ものの本には、最確速度と平均及び二乗平均の大きさの比は、マックスウェルボルツマン分布では「１：１．１３：１．２３」となり高々20％程度なのでどの値を用いても大差は無いと説明されています。これらの値を恣意的に用いて、得られた結果を0.1%以下の精度で云々する場合には、何を比較しているのかについて明確に認識しなければなりません。
衝突励起・電離
さて、プラズマの衝突では非弾性衝突を理解しておく必要があります。励起又は運動エネルギを他の粒子との衝突を通じて、衝突された粒子の運動エネルギとして授受することを衝突励起または衝突電離といいます。純粋に運動エネルギの授受のみが生じる場合を第１種の衝突、衝突の際に粒子の内部エネルギの放出を伴うものを第２種の衝突と呼びます。
プラズマ内部には大量の粒子が存在し、多くの衝突を繰り返すことにより少しずつ内部エネルギを増加させて、最終的に電離にまでいたる場合もあります。これを累積電離といます。励起している時間の長い準安定励起状態を形成する粒子に起こりやすい現象です。
光励起・電離
通常は気体に光を照射しても、チリなどに当たって散乱される以外の光は気体を通過します。しかしｈνが励起あるいは電離エネルギeVe,eViに対応する値付近ではかなり強い吸収が起こります。このように光により励起が生じる波長は ｅＶ＝ｈν＝ｈｖ／λ の関係から、
λ［Å］＝12400／Ｖ ここでＶの単位はＶ(ボルト)
となります。
熱励起・電離
プラズマ内では以上に書いてきた励起や電離が起きていて、同時にそれらの逆過程である衝突や再結合も生じています。気体が全体としてかなりの高温状態を保ち、熱力学的に平衡の状態にある場合には、様々な種類の順・逆過程が同時に生じており、しかも各順・逆過程がそれぞれ釣合った状態に落ち着きます。これを詳細釣り合いの原理と呼んでいます。このように熱的に釣合った状態における励起・電離を熱励起・熱電離と呼びます。この状態での個々の粒子の割合を計算するサハの熱電離式と言う有名な式があります。
溶接切断の目的は、鋼材の目的に応じた適切な構造に加工することです。プラズマ自体を理解することは大切ですが、プラズマ内部の電子を含んだ高温粒子が、加工材料表面に衝突して生じる現象の理解が最も重要となります。プラズマ内部の粒子密度に比べて、加工材料表面及び内部の金属粒子の密度は圧倒的に高く、プラズマ内部空間における衝突・電離・再結合に比べて表面(界面)における衝突・電離・再結合はプラズマ内部とはまったく異なる現象となります。次章以降は、その理解に必要な金属の内部構造や表面構造について取り扱います。
次ページ 2016.03.12作成 2017.04.09改訂