衝突断面積とは

衝突断面積とは、粒子どうしがぶつかって何かが起こる確率を、相手の粒子が持つ「的の面積」に置き換えて表した量です。単位は面積（cm²やm²）で、値が大きいほどその衝突が起こりやすいことを意味します。気体の分子の大きさから見積もる幾何学的な断面積のほか、プラズマでは電離・解離・励起などの反応ごとに別々の断面積を考えます。

衝突断面積σと気体の密度nが分かると、粒子が次にぶつかるまでに進む平均の距離（平均自由行程）は λ＝1／(nσ) で求められます。たとえばアルゴン気体では、圧力1Paで平均自由行程は数mm程度になり、圧力を下げるほど長くなります。スパッタやエッチングで圧力を変えると、イオンがシースを横切る間に衝突する回数が変わり、イオンの方向性やエネルギーが変化するのはこのためです。

プラズマの中の電子が気体分子にぶつかったときの断面積は、電子のエネルギーで大きく変わります。アルゴンの電離では約15.8eV以上で反応が始まり、100eV前後で最大になります。電子のエネルギーの分布と各反応の断面積を組み合わせると、どれだけのイオンやラジカルが作られるかを計算でき、プラズマのシミュレーションやエッチングガスの選定の基礎データとして使われます。