Langmuir (jednostka)

Langmuir (symbol: L ) jest jednostką ekspozycji (lub dawki) na powierzchnię ( np . kryształu ) i jest używany w fizyce powierzchni w bardzo wysokiej próżni (UHV) do badania adsorpcji gazów . Jest to jednostka praktyczna i nie jest jednorodna wymiarowo , dlatego jest używana tylko w tej dziedzinie. Jej nazwa pochodzi od amerykańskiego fizyka Irvinga Langmuira .

Definicja

  Langmuir jest definiowany przez pomnożenie ciśnienia gazu przez czas ekspozycji. Jeden langmuir odpowiada ekspozycji 10-6 ^torr w ciągu jednej sekundy . Na przykład wystawienie powierzchni na działanie gazu pod ciśnieniem 10-8 ^torów przez 100 sekund odpowiada 1 l. Podobnie utrzymanie ciśnienia tlenu na poziomie 2,5·10 ^-6 torów przez 40 sekund da dawkę 100 litrów.

Konwersja

Ponieważ zarówno różne ciśnienia, jak i czasy ekspozycji mogą dawać ten sam langmuir (patrz Definicja), przeliczenie Langmuira (L) na ciśnienie ekspozycji × czas (Torr·s) i odwrotnie może być trudne. Poniższe równanie może być użyte do łatwej konwersji między tymi dwoma:

$${\ Displaystyle xy [{\ rm {L}}] = x \ razy 10 ^ {- n} [{\rm {Torr}}]\cdot y\times 10^{n-6}[{\rm {s}}]}$$

Tutaj i są dowolnymi $liczbami$$, których$ iloczyn jest równy pożądanej wartości Langmuira, $jest$ całkowitą pozwalającą na użycie różnych wielkości ciśnienia lub czasu ekspozycji w konwersji Jednostki są przedstawione w [nawiasach kwadratowych]. Korzystając z poprzedniego przykładu, dla dawki 100 L można zastosować ciśnienie 2,5 × 10 ^{-6 Torr przez 40 sekund, więc} ${\ displaystyle x = 2,5}$ , ${\ displaystyle y = 40}$ i ${\ displaystyle n = 6}$ . Jednak tę dawkę można również uzyskać za pomocą 8 × 10 ^-8 Torr przez 1250 sekund, tutaj ${\ displaystyle x = 8}$ , ${\ displaystyle y = 12,5}$ , ${\ displaystyle n = 8}$ . W obu scenariuszach ${\ displaystyle xy = 100}$ .

Pochodzenie

Ekspozycja powierzchni w fizyce powierzchni jest rodzajem fluencji , czyli całką strumienia liczbowego ( JN _: ) względem czasu ekspozycji ( t ) dającą liczbę cząstek na jednostkę powierzchni ( Φ )

${\ Displaystyle \ Phi = \ int {J_ {N}} \, {\ rm {d}} t.}$

Strumień liczbowy dla gazu doskonałego, czyli liczba cząsteczek gazu przechodzących (w jednym kierunku) przez powierzchnię o jednostkowej powierzchni w jednostce czasu, można wyprowadzić z teorii kinetycznej :

${\ Displaystyle J_ {N} = {\ Frac {C {\ bar {u}}} {4}}}$

gdzie C jest liczbową gęstością gazu, a $jest$ średnią prędkością cząsteczek ( nie prędkością pierwiastkową, chociaż obie są powiązane Gęstość liczbowa gazu doskonałego zależy od temperatury termodynamicznej ( T ) i ciśnienia ( p ):

${\ Displaystyle C = {\ Frac {N} {V}} = {\ Frac {p} {kT}}.}$

Średnią prędkość cząsteczek gazu można również wyprowadzić z teorii kinetyki:

${\ Displaystyle {\ bar {u}} = {\ sqrt {\ Frac {8kT} {\ pi m}}}}$

gdzie m jest masą cząsteczki gazu. Stąd

${\ Displaystyle J_ {N} = {\ Frac {C {\ bar {u}}} {4}} = p {\ sqrt {\ Frac {1} {2 \ pi kTm}}}.}$

Proporcjonalność między strumieniem liczbowym a ciśnieniem jest ściśle ważna tylko dla danej temperatury i danej masy cząsteczkowej gazu adsorbującego. Jednak zależność dotyczy tylko pierwiastków kwadratowych m i T . Eksperymenty z adsorpcją gazów zwykle działają w temperaturze zbliżonej do otoczenia z lekkimi gazami, więc langmuir pozostaje użyteczny jako praktyczna jednostka.

Stosowanie

Zakładając, że każda cząsteczka gazu uderzająca w powierzchnię przylega do niej (czyli współczynnik przyczepności wynosi 1), jeden langmuir (1 L) prowadzi do pokrycia około jednej monowarstwy zaadsorbowanych cząsteczek gazu na powierzchni . Ogólnie rzecz biorąc, współczynnik przyczepności zmienia się w zależności od reaktywności powierzchni i cząsteczek, tak że langmuir podaje dolną granicę czasu potrzebnego do całkowitego pokrycia powierzchni.

Pokazuje to również, dlaczego ultrawysoka próżnia (UHV) musi być stosowana do badania powierzchni ciał stałych , nanostruktur , a nawet pojedynczych cząsteczek. Typowy czas wykonywania eksperymentów fizycznych na powierzchniach próbek mieści się w przedziale od jednej do kilku godzin. Aby powierzchnia była wolna od zanieczyszczeń , ciśnienie gazu resztkowego w komorze UHV powinno być poniżej 10 ⁻¹⁰ Torr.

• Lueth, H. (1997), Powierzchnie i interfejsy materiałów stałych (wyd. 3), Springer .