Langmuir (mértékegység)

A langmuir (jele: L) egy felületre kötődő atomokat vagy molekulákat érő dózist (expozíciót) jellemző fizikai mennyiség mértékegysége. Jellemzően a felületfizikában és a vákuumtechnikában alkalmazzák annak a jellemzésére, hogy egy anyag egységnyi területű felületeleme milyen dózisú anyagmennyiségnek van kitéve a gáztérben. Például vékonyréteg-leválasztásnál a rétegnövekedés egy fontos paramétere. Nem SI-mértékegység.

Az egységet Irving Langmuir amerikai fizikusról nevezték el.

Értelmezése

A langmuir a gáztér nyomása és az expozíciós idő szorzata. 1 L az 1 s idő alatti, 10^-6 torr nyomású gáz általi kitettségnek (expozíciónak) felel meg.

A gáztérnek kitett felület egyfajta dózist szenved el, amely a felület- és időegység alatti energiaelnyelést jellemzi. Ez a dózis megadható a felületet érő részecskeáram ${\textstyle J_{N}}$ fluxusával:

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

Az ideális gáz részecskéinek (atomjainak vagy molekuláinak) darabszám-fluxusa a kinetikus gázelmélet értelmében

$J_{N}={\frac {C\cdot {\bar {u}}}{4}}$,

ahol ${\textstyle C}$ a molekulák térbeli darabsűrűsége, ${\bar {u}}$ pedig a molekulák átlagsebessége.

A részecskeszám-sűrűség: $C={\frac {N}{V}}$, ahol $N$ a részecskeszám, és $V$ a térfogat.

${\textstyle C}$ függ a hőmérséklettől (${\textstyle T}$) és a nyomástól (${\textstyle p}$):

$C={\frac {p}{kT}}$,

ahol $k$ a Boltzmann-állandó.

A molekulák átlagsebessége a kinetikus gázelmélet szerint:

${\bar {u}}={\sqrt {\frac {8kT}{\pi m}}}$,

ahol ${\textstyle m}$ a molekulatömeg.

A fentiek behelyettesítésével a fluxusra az alábbi kifejezés írható fel:

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

Látható, hogy a fluxus és a nyomás közötti egyenes arányosság szigorúan véve csak állandó hőmérsékleten és adott molekulatömegnél érvényes. A gázadszorpciós kísérletek azonban jellemzően környezeti hőmérsékleten, könnyű gázokkal történnek, ezért a négyzetgyökös T- és m-függés miatt jó közelítéssel érvényes a fluxus és a nyomás közti lineáris összefüggés. A nyomásból kifejezett langmuir egység általában alkalmas a felületet érő fluxus jellemzésére.

Alkalmazása

Ha azt feltételezzük, hogy a felületre érkező részecskék mindegyike megtapad, akkor 1 L dózis (expozíció) körülbelül egy monoréteg (egy atomnyi vagy molekulányi vastagságú réteg) kialakulásához vezet. A rétegépülés sebességét tehát a langmuir mennyiségén kívül a megtapadás valószínűsége befolyásolja, melyet felületi kölcsönhatások és anyagjellemzők alakítanak. Mivel a megtapadás valószínűsége maximum 100% lehet, ezért a langmuir mennyiség a rétegépüléshez szükséges idő minimumára ad becslést.

A mennyiség egyben rávilágít arra is, hogy a legtöbb nanofizikai és felületfizikai kísérletet miért nagyvákuumban hajtják végre. Mivel egy-egy megfigyelni kívánt reakció jellemző időbeli lefolyása akár órákig is tarthat, a kellő tisztaság fenntartásának érdekében a műveletet ritka gázban kell végezni. Minél kisebb a gáztér általi kitettség, annál hosszabb ideig maradhat fenn a vizsgált rendszer kívánt szennyezetlensége.

Fordítás

Ez a szócikk részben vagy egészben a Langmuir (unit) című angol Wikipédia-szócikk ezen változatának fordításán alapul. Az eredeti cikk szerkesztőit annak laptörténete sorolja fel. Ez a jelzés csupán a megfogalmazás eredetét és a szerzői jogokat jelzi, nem szolgál a cikkben szereplő információk forrásmegjelöléseként.

Források

Tananyagok, ismeretterjesztő weblapok

• 4.2 Why is UHV required for surface studies ?. www.chem.qmul.ac.uk. [2018. június 30-i dátummal az eredetiből archiválva]. (Hozzáférés: 2018. július 10.)

Szakkönyvek

• Giber János és szerzőtársai: Szilárdtestek felületfizikája. Budapest: Műszaki Könyvkiadó. 1987. ISBN 9789631071115  
• Lueth, H. (1997), Surfaces and Interfaces of Solid Materials (3rd ed.), Springer