碰撞理論（collision threory）是元反應(yīng)的速率理論之一。碰撞理論主要用于計(jì)算氣相雙分子反應(yīng)的速率常數(shù)和活化能。碰撞理論的基本假設(shè)為：把分子看成是無(wú)結(jié)構(gòu)的硬球，分子除碰撞外無(wú)其他相互作用，兩次碰撞之間分子運(yùn)動(dòng)的軌跡是直線(xiàn)；化學(xué)反應(yīng)只有通過(guò)分子碰撞才能發(fā)生，但并不是分子的每一次碰撞都能導(dǎo)致反應(yīng)的發(fā)生，只有那些能量足夠大的分子在碰撞時(shí)才能發(fā)生反應(yīng)，這種碰撞稱(chēng)為有效碰撞。
碰撞理論直觀地描繪了元反應(yīng)的分子碰撞過(guò)程，從理論上導(dǎo)出了元反應(yīng)速率常數(shù)k的計(jì)算公式，并賦予了活化能確切的物理意義。但由于該理論模型過(guò)于簡(jiǎn)單，且沒(méi)有給出閾能和方位因子的理論計(jì)算方法，因此無(wú)法從該理論直接準(zhǔn)確地計(jì)算出元反應(yīng)的k值。
形成
有效碰撞
并非每一次碰撞都發(fā)生預(yù)期的反應(yīng),只有非常少非常少的碰撞是有效的。首先,分子無(wú)限接近時(shí),要克服斥力,這就要求分子具有足夠的運(yùn)動(dòng)速度,即能量具備足夠的能量是有效碰撞的必要條件.一組碰撞的反應(yīng)物的分子的總能量必須具備一個(gè)最低的能量值,這種能量分布符合從前所講的分布原則.用E表示這種能量限制,則具備E和E以上的分子組的分?jǐn)?shù)為:
其次,僅具有足夠能量尚不充分,分子有構(gòu)型,所以碰撞方向還會(huì)有所不同,如反應(yīng):
的碰撞方式有:
（a）
（b）
顯然,(a)種碰接有利于反應(yīng)的進(jìn)行,(b)種以及許多其它碰撞方式都是無(wú)效的.取向適合的次數(shù)占總碰撞次數(shù)的分?jǐn)?shù)用p表示.
若單位時(shí)間內(nèi),單位體積中碰撞的總次數(shù)為Z 摩爾,則反應(yīng)速率可表示為:
, 其中 p 稱(chēng)為取向因子, f 稱(chēng)為能量因子.或?qū)懗?
活化能和活化分子組
將具備足夠能量(碰撞后足以反應(yīng))的反應(yīng)物分子組,稱(chēng)為活化分子組.
從公式:可以看出,分子組的能量要求越高,活化分子組的數(shù)量越少.這種能量要求稱(chēng)之為活化能,用Ea表示.Ea在碰撞理論中,認(rèn)為和溫度無(wú)關(guān).其與溫度的詳細(xì)關(guān)系,將在物理化學(xué)中講授。
Ea越大,活化分子組數(shù)則越少,有效碰撞分?jǐn)?shù)越小,故反應(yīng)速率越慢.
不同類(lèi)型的反應(yīng),活化能差別很大.如何反應(yīng):
而中和反應(yīng)：
分子不斷碰撞,能量不斷轉(zhuǎn)移,因此,分子的能量不斷變化,故活化分子組也不是固定不變的.但只要溫度一定,活化分子組的百分?jǐn)?shù)是固定的.
粒子碰撞
粒子分裂
利用動(dòng)量守恒和能量守恒定律可以得到一系列關(guān)于各種力學(xué)過(guò)程特性的結(jié)論。特別重要的是，這些性質(zhì)完全不依賴(lài)于粒子間具體的相互作用形式。
粒子分裂研究的是粒子自動(dòng)、沒(méi)有外力作用分裂成兩個(gè)組成部分的問(wèn)題，分裂后兩個(gè)粒子獨(dú)立運(yùn)動(dòng)。
在粒子分裂前靜止的參考系中觀察這個(gè)過(guò)程是最簡(jiǎn)單的。根據(jù)動(dòng)量守恒定律，分裂后兩個(gè)粒子動(dòng)量之和仍為零，即兩個(gè)粒子的動(dòng)量大小相等方向相反。動(dòng)量的大小可以由能量守恒定律：
確定，其中和是兩個(gè)粒子的質(zhì)量，和是兩個(gè)粒子的內(nèi)能，而是原來(lái)粒子的初始內(nèi)能。用表示分裂能，即：
能量為正時(shí)反應(yīng)才可能發(fā)生。由此可以確定動(dòng)量的大小，兩個(gè)粒子的速度分別為：
粒子是足夠小的點(diǎn)，這樣的點(diǎn)又稱(chēng)為質(zhì)點(diǎn)。這樣總動(dòng)量為零的參考系稱(chēng)為質(zhì)心參考系。如果反應(yīng)前粒子以一定的速度相對(duì)此參考系運(yùn)動(dòng)，那么這個(gè)參考系稱(chēng)作實(shí)驗(yàn)室參考系。
彈性碰撞
如果兩個(gè)粒子碰撞不改變兩個(gè)粒子的內(nèi)部狀態(tài)，那么稱(chēng)為彈性碰撞。研究彈性碰撞應(yīng)用能量守恒定律時(shí)不必考慮內(nèi)能。
根據(jù)動(dòng)量守恒定律，碰撞前后兩個(gè)粒子動(dòng)量矢量不變；又，根據(jù)能量守恒定律，碰撞前后兩個(gè)粒子能能量不變?cè)O(shè)碰碰撞個(gè)粒子的速度為和，那么碰撞后兩個(gè)粒子的速度與其的關(guān)系可由兩個(gè)定律推導(dǎo)得到：其中是矢量。
粒子散射
在物理應(yīng)用中經(jīng)常遇到的是，以相同速度飛向散射中心的粒子束的散射。不同的粒子有不同的瞄準(zhǔn)距離，因此以不同的角度散射。
設(shè)有一束實(shí)驗(yàn)粒子，相對(duì)于靶心的速度為，粒子數(shù)密度為，定義粒子流強(qiáng)，表示單位時(shí)間內(nèi)，通過(guò)垂直于粒子流方向的單位面積的粒子數(shù)。選取球坐標(biāo)系，設(shè)極軸（z軸）與入射粒子運(yùn)動(dòng)方向一致，靶粒子位于坐標(biāo)原點(diǎn)。單位時(shí)間內(nèi)，流強(qiáng)為的粒子流被一個(gè)類(lèi)粒子散射后，通過(guò)立體角元的類(lèi)粒子數(shù)正比于流強(qiáng)和立體角元：
其中，是單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)立體角元的粒子數(shù)。稱(chēng)為導(dǎo)數(shù)散射截面，但其實(shí)是一個(gè)比例系數(shù)。這里的和都是泛指粒子的類(lèi)型，而不是特指粒子和粒子。這是因?yàn)檫@個(gè)比例系數(shù)是和實(shí)驗(yàn)粒子、散射中心粒子的類(lèi)型有關(guān)的。
微分散射截面，是如果未發(fā)生散射時(shí)粒子束所通過(guò)的平面的面元，與發(fā)生散射時(shí)粒子束所通過(guò)的立體角元所在球面的面元，二者面積的比值。
單位面積與微分
如果不考慮完全反彈粒子，那么微分散射截面在散射中心粒子身上，只取決于這個(gè)粒子的上面一小部分，和下面一小部分。
是單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)平面單位面積的粒子數(shù)。與的乘積，就是單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)球面單位面積的粒子數(shù)。
速度速度單位時(shí)間內(nèi)穿過(guò)的距離。在勻速運(yùn)運(yùn)動(dòng)的前提動(dòng)的前提距離和單位時(shí)間一定是一致的，因此，這段單位距離，就指的是到屏上立體角元的距離。
是立體角元。
“單位面積”不同于“導(dǎo)數(shù)”。平面和球面的單位面積一定是相同的，但是微分可以不同。
根據(jù)立體角元微分：
因?yàn)樗蟮氖橇Ⅲw角元通過(guò)的粒子數(shù)，而立體角元是對(duì)球面有意義的，因此應(yīng)該認(rèn)為是單位面積，那么一定比單位面積小，而且一定等于單位面積的倍。
因此，通過(guò)球面單位面積的粒子數(shù)，一定就等于通過(guò)平面單位面積的粒子數(shù)的倍。這個(gè)比值就稱(chēng)為“微分散射截面”。
原子的碰撞
具有一定能量的粒子（包括原子核）撞擊原子核（常稱(chēng)為靶核），使靶核的組成或能量狀態(tài)發(fā)生變化的過(guò)程，稱(chēng)為核反應(yīng)。核反應(yīng)可用反應(yīng)方程式表示，其中含靶核、入射粒子、剩余核和出射粒子。
歷史上第一個(gè)核反應(yīng)，是歐內(nèi)斯特·盧瑟福于1919年觀察到的。盧瑟福利用釙的同位素放出的能量為7.68的粒子撞擊氮?dú)?/a>時(shí)發(fā)現(xiàn)了如下反應(yīng)：
粒子表示氦原子，表示質(zhì)子。
等離子體的碰撞
等離子體是由大量做自由運(yùn)動(dòng)的和相互作用（碰撞）的帶電粒子所組成的系統(tǒng)。在這個(gè)系統(tǒng)中，碰撞對(duì)等離子體宏觀特性的影響是對(duì)大量碰撞過(guò)程的平均的結(jié)果。
庫(kù)侖碰撞是等離子體中帶電粒子之間的碰撞，與一般二體碰撞具有顯著的不同。
首先對(duì)于某一個(gè)帶電粒子而言（看成散射中心），由于德拜屏蔽效應(yīng)，其對(duì)被散射帶電粒子的作用范圍是德拜半徑的量級(jí)。對(duì)離散射中心距離大于德拜半徑的粒子，可以近似地看成沒(méi)有相互作用。因此，碰撞參數(shù)的最大值。
另一方面，散射中心對(duì)德拜球內(nèi)的所有帶電粒子同時(shí)發(fā)生相互作用，因此，等離子體中帶電粒子的相互作用一般是多體相互作用，而不像中性粒子之間的碰撞是二體。當(dāng)然，當(dāng)碰撞參數(shù)很小時(shí)，所觀察的兩個(gè)帶電粒子的相互作用，可以近似地忽略其他帶電粒子存在的影響，近似地看成二體碰撞。對(duì)于一般多體碰撞，在一定近似下，也可以看成一系列無(wú)關(guān)的二體碰撞的疊加。
正負(fù)電子的湮沒(méi)
保羅·狄拉克在1930年預(yù)言了有電子的反粒子（即正電子）的存在。
在什么條件下，才能夠?qū)崿F(xiàn)狄拉克理論所預(yù)言的電子-正電子對(duì)呢？正能態(tài)能級(jí)和負(fù)能態(tài)能級(jí)之間存在著的間距。為了產(chǎn)生電子對(duì)，必須讓真空吸收能量大于的光子，這樣，“負(fù)能電子海”中一個(gè)電子激發(fā)越過(guò)禁區(qū)，跳到正能態(tài)能級(jí)區(qū)，表現(xiàn)為一個(gè)正能量的電子，同時(shí)留下的電子“空穴”則表現(xiàn)為一個(gè)帶正電荷的正電子。綜合上述，發(fā)生了如下的過(guò)程：
條件是“原子核場(chǎng)中”。
反過(guò)來(lái)講，如果電子海中有一個(gè)空位（即有一個(gè)正電子），那么正能態(tài)電子（即電子），就能夠跳到這個(gè)空位上去，并放出能量和大于的光子。伴隨著光子的產(chǎn)生，電子對(duì)消失了。正負(fù)電子相遇，可以轉(zhuǎn)變?yōu)閮蓚€(gè)光子，記作。
這個(gè)過(guò)程叫做正負(fù)電子對(duì)的湮沒(méi)過(guò)程，或簡(jiǎn)稱(chēng)正電子湮沒(méi)。
輕原子核的聚合
兩個(gè)輕原子核聚合成一個(gè)中等質(zhì)量原子核的現(xiàn)象稱(chēng)為原子核的聚變。
中等質(zhì)量核的比結(jié)核病能結(jié)核核的大，因此輕核聚變時(shí)也會(huì)釋放出能量，而且單個(gè)核子平均釋放出的能量，比重核裂變時(shí)更大一些。例如核所形成的聚變：
括號(hào)中的數(shù)字代表粒子攜帶的能量。這四個(gè)反應(yīng)的總結(jié)果可以看做是6個(gè)氘核聚合成兩個(gè)并放出兩個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)中子，同時(shí)釋放出能量的過(guò)程，即
平均每個(gè)核子釋放的能量是，大約是中子誘發(fā)的同位素裂變時(shí)每個(gè)核子所釋放能量的倍。
相互作用
對(duì)粒子相互作用的討論一般采用恩里科·費(fèi)米1950年4月在耶魯大學(xué)西里曼講座《基本粒子》中所給出的半定量方法。進(jìn)一步的定量處理可以參閱量子場(chǎng)論的有關(guān)書(shū)籍。
粒子的相互作用包括：
（1）衰變
（2）中子衰變
上面有一條橫線(xiàn)。
（3）彈性散射
根據(jù)核力介子理論的模型，核子與介子間的相互作用，是在空間一點(diǎn)有2個(gè)核子和1個(gè)介子的耦合，越遷振幅正比于這3個(gè)粒子波場(chǎng)在該點(diǎn)的振幅。
（4）散射
光子與電子的散射屬于電磁相互作用。電磁相互作用是光子與荷電粒子間的一種基本相互作用。根據(jù)量子電動(dòng)力學(xué)，電磁相互作用的基本過(guò)程，是在空間一點(diǎn)有2個(gè)荷電粒子與1個(gè)光子發(fā)生耦合。
參考資料 >
碰撞理論.中國(guó)大百科全書(shū).2024-02-06