Вездесущая плазма: четвертое состояние вещества.

На фото - полное солнечное затмение, наблюдавшееся во Франции в 1999 году. Остроконечное гало света - это плазма из короны Солнца

Материя существует в четырех возможных состояниях: твердом, жидком, газообразном и в виде плазмы, представляющей собой электрифицированный газ. Мы редко сталкиваемся с естественной плазмой - ее можно увидеть при грозе и северном сиянии или если смотреть на Солнце через специальный фильтр. Тем не менее, плазма, при всей ее скудности в нашей повседневной жизни, составляет более 99% наблюдаемой материи во Вселенной (то есть если не учитывать темную материю).

Как образуется плазма

Представьте себе, что вы нагреваете контейнер, полный льда, и наблюдаете, как он переходит из твердого состояния в жидкое и затем в газ. По мере того как температура поднимается, молекулы воды становятся более энергичными и возбудимыми и перемещаются все более и более свободно. Если вы продолжите нагрев, то при температуре около 12 тысяч градусов по Цельсию атомы сами начнут распадаться. Электроны убегут из ядер, оставляя позади заряженные частицы, известные как ионы, которые, в итоге, оказываются в супе электронов. Это и есть состояние плазмы.

Плазма в физике и в крови

Связь между кровью и «физической» плазмой - это больше, чем просто совпадение. В 1927 году американский химик Ирвинг Ленгмюр заметил, что, как плазма переносит электроны, ионы, молекулы и другие примеси, так и плазма крови переносит красные и белые кровяные тела и микробы. Ленгмюр стал пионером в изучении плазмы. Вместе со своим коллегой Леви Тонксом он также обнаружил, что плазма характеризуется быстрыми колебаниями электронов из-за коллективного поведения частиц.

Еще одним интересным свойством плазмы является ее способность поддерживать так называемые гидромагнитные волны-выпуклости, которые движутся через плазму вдоль линий магнитного поля, подобно тому, как колебания распространяются вдоль гитарной струны. Когда в 1942 году шведский ученый Ханнес Альфвен, который впоследствии стал лауреатом Нобелевской премии, впервые предположил существование этих волн, сообщество физиков отнеслось к этому скептически. Но после того, как Альфвен прочитал лекцию в Чикагском университете, известный физик и преподаватель Энрико Ферми подошел к нему, чтобы обсудить теорию, признав, что такие волны могут существовать.

Термоядерный синтез

Одним из самых больших стимулов развития современной плазменной науки является перспектива управляемого термоядерного синтеза, при котором атомы сливаются вместе и выделяют интенсивные, но управляемые всплески энергии. Это обеспечило бы почти безграничный источник безопасной, экологически чистой энергии, но это не такая простая задача. Прежде чем на Земле произойдет такое слияние, плазма должна быть нагрета до более чем 100 миллионов градусов по Цельсию, что примерно в 10 раз горячее, чем центр Солнца. Но и это не самое сложное, поскольку ученым удалось достичь такой температуры в 1990-е годы. Однако горячая плазма очень нестабильна, поэтому ее трудно хранить и ею трудно управлять.

Попытки достичь управляемого термоядерного синтеза датируются началом 1950-х годов. В то время исследования проводились тайно Соединенными Штатами, а также Советским Союзом и Великобританией. В США, Принстонский Университет был точкой опоры для этого исследования. Там физик Лайман Спитцер начал проект Matterhorn, в рамках которого секретная группа ученых пыталась достичь управляемого термоядерного синтеза с помощью устройства под названием «стелларатор». У них не было компьютеров, и приходилось полагаться только на собственные расчеты. Хотя они не решили головоломку, они в конечном итоге разработали «энергетический принцип», который и сегодня остается мощным методом проверки идеальной стабильности плазмы.

Токамак

Между тем, ученые Советского Союза создали другое устройство - токамак. Эта машина, разработанная физиками Андреем Сахаровым и Игорем Таммом, использовала сильное магнитное поле, чтобы загнать горячую плазму в форму пончика. Токамак лучше удерживал плазму в горячем и стабильном состоянии, и по сей день большинство исследовательских программ по термоядерному синтезу опираются на дизайн токамака. Сегодня Китай, Европейский Союз, Индия, Япония, Корея, Россия и США объединились для строительства крупнейшего в мире реактора на токамаке, открытие которого ожидается в 2025 году. Тем не менее, в последние годы также возродился энтузиазм в отношении стеллараторов, и крупнейший в мире открылся в Германии в 2015 году. Инвестирование в оба метода, вероятно, дает нам лучший шанс в конечном итоге добиться успеха.

Плазма в околоземном пространстве

Плазма также связана с физикой пространства вокруг Земли, где вещества переносятся с помощью ветров, генерируемых в верхней атмосфере Солнца. Нам повезло, что магнитное поле Земли защищает нас от заряженных плазменных частиц и разрушительного излучения такого солнечного ветра, однако все наши спутники, космические корабли и астронавты подвергаются этому воздействию. Их способность выжить в этой враждебной среде зависит от понимания и приспособления к причудам плазмы.

В новой области, известной как «космическая погода», физика плазмы играет роль, аналогичную динамике жидкости в наземных атмосферных условиях. Есть такое явление, как магнитное пересоединение, при котором линии магнитного поля в плазме могут разрываться и пересоединяться, что приводит к быстрому высвобождению энергии. Считается, что этот процесс питает солнечные вспышки, хотя детальное понимание остается труднодостижимым. Но в будущем мы сможем предсказывать солнечные бури так же, как и плохую погоду на Земле.

В чем плазма помогает нам сегодня

Возможно, однажды физика плазмы даст нам представление о том, как впервые сформировались звезды, галактики и скопления галактик. Согласно стандартной космологической модели, плазма была распространена в ранней Вселенной, затем все стало остывать и заряженные электроны и протоны связывались вместе, чтобы сделать атомы водорода электрически нейтральными. Это состояние продолжалось до тех пор, пока не образовались первые звезды и черные дыры, которые начали излучать радиацию, после чего Вселенная «реионизировалась» и вернулась в состояние плазмы.

Сегодня благодаря плазме ученые могут находить черные дыры. Они настолько плотные, что практически не отражают свет, поэтому практически невидимы для прямого наблюдения. Однако черные дыры, как правило, окружены вращающимся диском плазменного вещества, который движется в пределах гравитационного притяжения черной дыры и испускает фотоны высокой энергии. Именно их ученые могут наблюдать в рентгеновском спектре.

Плазма все еще кажется нам довольно экзотичным состоянием вещества, но по мере того, как мы будем учиться использовать ее потенциал и расширять наш взгляд на космос, она в один прекрасны день может стать для нас такой же обычной, как лед и вода. А если мы когда-нибудь достигнем контролируемого ядерного синтеза, то без плазмы мы больше просто не сможем жить.

Плазма Плазменная лампа , иллюстрирующая некоторые из наиболее сложных плазменных явлений, включая филаментацию. Свечение плазмы обусловлено переходом электронов из высокоэнергетического состояния в состояние с низкой энергией после рекомбинации с ионами . Этот процесс приводит к излучению со спектром , соответствующим возбуждаемому газу.

Слово «ионизированный» означает, что от электронных оболочек значительной части атомов или молекул отделён по крайней мере один электрон . Слово «квазинейтральный» означает, что, несмотря на наличие свободных зарядов (электронов и ионов), суммарный электрический заряд плазмы приблизительно равен нулю. Присутствие свободных электрических зарядов делает плазму проводящей средой, что обуславливает её заметно большее (по сравнению с другими агрегатными состояниями вещества) взаимодействие с магнитным и электрическим полями . Четвёртое состояние вещества было открыто У. Круксом в 1879 году и названо «плазмой» И. Ленгмюром в 1928 году , возможно из-за ассоциации с плазмой крови . Ленгмюр писал:

Исключая пространство около электродов, где обнаруживается небольшое количество электронов, ионизированный газ содержит ионы и электроны практически в одинаковых количествах, в результате чего суммарный заряд системы очень мал. Мы используем термин «плазма», чтобы описать эту в целом электрически нейтральную область, состоящую из ионов и электронов.

Формы плазмы

По сегодняшним представлениям, фазовым состоянием большей части вещества (по массе ок. 99,9 %) во Вселенной является плазма. Все звёзды состоят из плазмы, и даже пространство между ними заполнено плазмой, хотя и очень разреженной (см. межзвездное пространство). К примеру, планета Юпитер сосредоточила в себе практически все вещество Солнечной системы , находящееся в «неплазменном» состоянии (жидком , твердом и газообразном). При этом масса Юпитера составляет всего лишь около 0,1 % массы Солнечной системы, а объём - и того меньше: всего 10 −15 %. При этом мельчайшие частицы пыли, заполняющие космическое пространство и несущие на себе определенный электрический заряд, в совокупности могут быть рассмотрены как плазма, состоящая из сверхтяжелых заряженных ионов (см. пылевая плазма).

Свойства и параметры плазмы

Определение плазмы

Плазма - частично или полностью ионизированный газ, в котором плотности положительных и отрицательных зарядов практически одинаковы. Не всякую систему заряженных частиц можно назвать плазмой. Плазма обладает следующими свойствами:

  • Достаточная плотность : заряженные частицы должны находиться достаточно близко друг к другу, чтобы каждая из них взаимодействовала с целой системой близкорасположенных заряженных частиц. Условие считается выполненным, если число заряженных частиц в сфере влияния (сфера радиусом Дебая) достаточно для возникновения коллективных эффектов (подобные проявления - типичное свойство плазмы). Математически это условие можно выразить так:
, где - концентрация заряженных частиц.
  • Приоритет внутренних взаимодействий : радиус дебаевского экранирования должен быть мал по сравнению с характерным размером плазмы. Этот критерий означает, что взаимодействия, происходящие внутри плазмы более значительны по сравнению с эффектами на её поверхности, которыми можно пренебречь. Если это условие соблюдено, плазму можно считать квазинейтральной. Математически оно выглядит так:

Классификация

Плазма обычно разделяется на идеальную и неидеальную , низкотемпературную и высокотемпературную , равновесную и неравновесную , при этом довольно часто холодная плазма бывает неравновесной, а горячая равновесной.

Температура

При чтении научно-популярной литературы читатель зачастую видит значения температуры плазмы порядка десятков, сотен тысяч или даже миллионов °С или К. Для описания плазмы в физике удобно измерять температуру не в °С, а в единицах измерения характерной энергии движения частиц, например, в электрон-вольтах (эВ). Для перевода температуры в эВ можно воспользоваться следующим соотношением: 1 эВ = 11600 K (Кельвин). Таким образом становится понятно, что температура в «десятки тысяч °С» достаточно легко достижима.

В неравновесной плазме электронная температура существенно превышает температуру ионов. Это происходит из-за различия в массах иона и электрона, которое затрудняет процесс обмена энергией. Такая ситуация встречается в газовых разрядах, когда ионы имеют температуру около сотен, а электроны около десятков тысяч K.

В равновесной плазме обе температуры равны. Поскольку для осуществления процесса ионизации необходимы температуры, сравнимые с потенциалом ионизации, равновесная плазма обычно является горячей (с температурой больше нескольких тысяч K).

Понятие высокотемпературная плазма употребляется обычно для плазмы термоядерного синтеза, который требует температур в миллионы K.

Степень ионизации

Для того, чтобы газ перешел в состояние плазмы, его необходимо ионизировать . Степень ионизации пропорциональна числу атомов, отдавших или поглотивших электроны, и больше всего зависит от температуры . Даже слабо ионизированный газ, в котором менее 1 % частиц находятся в ионизированном состоянии, может проявлять некоторые типичные свойства плазмы (взаимодействие с внешним электромагнитным полем и высокая электропроводность). Степень ионизации α определяется как α = n i /(n i + n a), где n i - концентрация ионов, а n a - концентрация нейтральных атомов. Концентрация свободных электронов в незаряженной плазме n e определяется очевидным соотношением: n e =<Z > n i , где <Z > - среднее значение заряда ионов плазмы.

Для низкотемпературной плазмы характерна малая степень ионизации (до 1 %). Так как такие плазмы довольно часто употребляются в технологических процессах, их иногда называют технологичными плазмами. Чаще всего их создают при помощи электрических полей, ускоряющих электроны, которые в свою очередь ионизируют атомы. Электрические поля вводятся в газ посредством индуктивной или емкостной связи (см. индуктивно-связанная плазма). Типичные применения низкотемпературной плазмы включают плазменную модификацию свойств поверхности (алмазные пленки, нитридирование металлов, изменение смачиваемости), плазменное травление поверхностей (полупроводниковая промышленность), очистку газов и жидкостей (озонирование воды и сжигание частичек сажи в дизельных двигателях).

Горячая плазма почти всегда полностью ионизирована (степень ионизации ~100 %). Обычно именно она понимается под «четвертым агрегатным состоянием вещества ». Примером может служить Солнце .

Плотность

Помимо температуры, которая имеет фундаментальную важность для самого существования плазмы, вторым наиболее важным свойством плазмы является плотность. Словосочетание плотность плазмы обычно обозначает плотность электронов , то есть число свободных электронов в единице объёма (строго говоря, здесь, плотностью называют концентрацию - не массу единицы объёма, а число частиц в единице объёма). В квазинейтральной плазме плотность ионов связана с ней посредством среднего зарядового числа ионов : . Следующей важной величиной является плотность нейтральных атомов . В горячей плазме мала, но может тем не менее быть важной для физики процессов в плазме. При рассмотрении процессов в плотной, неидеальной плазме характерным параметром плотности становится , который определяется как отношение среднего межчастичного расстояния к радиусу Бора .

Квазинейтральность

Так как плазма является очень хорошим проводником, электрические свойства имеют важное значение. Потенциалом плазмы или потенциалом пространства называют среднее значение электрического потенциала в данной точке пространства. В случае если в плазму внесено какое-либо тело, его потенциал в общем случае будет меньше потенциала плазмы вследствие возникновения дебаевского слоя. Такой потенциал называют плавающим потенциалом . По причине хорошей электрической проводимости плазма стремится экранировать все электрические поля. Это приводит к явлению квазинейтральности - плотность отрицательных зарядов с хорошей точностью равна плотности положительных зарядов (). В силу хорошей электрической проводимости плазмы разделение положительных и отрицательных зарядов невозможно на расстояниях больших дебаевской длины и временах больших периода плазменных колебаний.

Примером неквазинейтральной плазмы является пучок электронов. Однако плотность не-нейтральных плазм должна быть очень мала, иначе они быстро распадутся за счёт кулоновского отталкивания.

Отличия от газообразного состояния

Плазму часто называют четвертым состоянием вещества . Она отличается от трёх менее энергетичных агрегатных состояний материи, хотя и похожа на газовую фазу тем, что не имеет определённой формы или объёма. До сих пор идёт обсуждение того, является ли плазма отдельным агрегатным состоянием, или же просто горячим газом. Большинство физиков считает, что плазма является чем-то большим, чем газ по причине следующих различий:

Свойство Газ Плазма
Электрическая проводимость Крайне мала
К примеру, воздух является превосходным изолятором до тех пор, пока не переходит в плазменное состояние под действием внешнего электрического поля напряженностью в 30 киловольт на сантиметр . 		Очень высока
  1. Несмотря на то, что при протекании тока возникает хотя и малое, но тем не менее конечное падение потенциала, во многих случаях электрическое поле в плазме можно считать равным нулю. Градиенты плотности, связанные с наличием электрического поля, могут быть выражены через распределение Больцмана.
  2. Возможность проводить токи делает плазму сильно подверженной влиянию магнитного поля, что приводит к возникновению таких явлений как филаментирование, появление слоев и струй.
  3. Типичным является наличие коллективных эффектов, так как электрические и магнитные силы являются дальнодействующими и гораздо сильнее, чем гравитационные.
Число сортов частиц Один
Газы состоят из подобных друг другу частиц, которые находятся в тепловом движении, а также движутся под действием гравитации , а друг с другом взаимодействуют только на сравнительно небольших расстояниях. 		Два, или три, или более
Электроны, ионы и нейтральные частицы различаются знаком эл. заряда и могут вести себя независимо друг от друга - иметь разные скорости и даже температуры, что служит причиной появления новых явлений, например волн и неустойчивостей.
Распределение по скоростям Максвелловское
Столкновения частиц друг с другом приводит к максвелловскому распределению скоростей , согласно которому очень малая часть молекул газа имеют относительно большие скорости движения. 		Может быть немаксвелловское

Электрические поля имеют другое влияние на скорости частиц чем столкновения, которые всегда ведут к максвеллизации распределения по скоростям. Зависимость сечения кулоновских столкновений от скорости может усиливать это различие, приводя к таким эффектам, как двухтемпературные распределения и убегающие электроны.
Тип взаимодействий Бинарные
Как правило двухчастичные столкновения, трёхчастичные крайне редки. 		Коллективные
Каждая частица взаимодействует сразу со многими. Эти коллективные взаимодействия имеют гораздо большее влияние чем двухчастичные.

Сложные плазменные явления

Хотя основные уравнения, описывающие состояния плазмы, относительно просты, в некоторых ситуациях они не могут адекватно отражать поведение реальной плазмы: возникновение таких эффектов - типичное свойство сложных систем , если использовать для их описания простые модели . Наиболее сильное различие между реальным состоянием плазмы и её математическим описанием наблюдается в так называемых пограничных зонах, где плазма переходит из одного физического состояния в другое (например, из состояния с низкой степенью ионизации в высокоионизационное). Здесь плазма не может быть описана с использованием простых гладких математических функций или с применением вероятностного подхода. Такие эффекты как спонтанное изменение формы плазмы являются следствием сложности взаимодействия заряженных частиц , из которых состоит плазма. Подобные явления интересны тем, что проявляются резко и не являются устойчивыми. Многие из них были изначально изучены в лабораториях, а затем были обнаружены во Вселенной.

Математическое описание

Плазму можно описывать на различных уровнях детализации. Обычно плазма описывается отдельно от электромагнитных полей. Совместное описание проводящей жидкости и электромагнитных полей даётся в теории магнитогидродинамических явлений или МГД теории.

Флюидная (жидкостная) модель

Во флюидной модели электроны описываются в терминах плотности, температуры и средней скорости. В основе модели лежат: уравнение баланса для плотности, уравнение сохранения импульса, уравнение баланса энергии электронов. В двухжидкостной модели таким же образом рассматриваются ионы.

Кинетическое описание

Иногда жидкостная модель оказывается недостаточной для описания плазмы. Более подробное описание даёт кинетическая модель, в которой плазма описывается в терминах функции распределения электронов по координатам и импульсам. В основе модели лежит уравнение Больцмана . Уравнение Больцмана неприменимо для описания плазмы заряженных частиц с кулоновским взаимодействием вследствие дальнодействующего характера кулоновских сил. Поэтому для описания плазмы с кулоновским взаимодействием используется уравнение Власова с самосогласованным электромагнитным полем, созданным заряженными частицами плазмы. Кинетическое описание необходимо применять в случае отсутствия термодинамического равновесия либо в случае присутствия сильных неоднородностей плазмы.

Particle-In-Cell (частица в ячейке)

Модели Particle-In-Cell являются более подробными, чем кинетические. Они включают в себя кинетическую информацию путём слежения за траекториями большого числа отдельных частиц. Плотности электрического заряда и тока определяются путём суммирования числа частиц в ячейках, которые малы по сравнению с рассматриваемой задачей, но, тем не менее, содержат большое число частиц. Электрическое и магнитное поля находятся из плотностей зарядов и токов на границах ячеек.

Базовые характеристики плазмы

Все величины даны в Гауссовых СГС единицах за исключением температуры, которая дана в eV и массы ионов, которая дана в единицах массы протона ; Z - зарядовое число; k - постоянная Больцмана; К - длина волны; γ - адиабатический индекс; ln Λ - Кулоновский логарифм.

Частоты

  • Ларморова частота электрона , угловая частота кругового движения электрона в плоскости перпендикулярной магнитному полю:
  • Ларморова частота иона , угловая частота кругового движения иона в плоскости перпендикулярной магнитному полю:
  • плазменная частота (частота плазменных колебаний), частота с которой электроны колеблются около положения равновесия, будучи смещенными относительно ионов:
  • ионная плазменная частота:
  • частота столкновений электронов
  • частота столкновений ионов

Длины

  • Де-Бройлева длина волны электрона , длина волны электрона в квантовой механике:
  • минимальное расстояние сближения в классическом случае , минимальное расстояние на которое могут сблизиться две заряженных частицы при лобовом столкновении и начальной скорости, соответствующей температуре частиц, в пренебрежении квантово-механическими эффектами:
  • гиромагнитный радиус электрона , радиус кругового движения электрона в плоскости перпендикулярной магнитному полю:
  • гиромагнитный радиус иона , радиус кругового движения иона в плоскости перпендикулярной магнитному полю:
  • размер скин-слоя плазмы , расстояние на которое электромагнитные волны могут проникать в плазму:
  • Радиус Дебая (длина Дебая) , расстояние на котором электрические поля экранируются за счёт перераспределения электронов:

Скорости

  • тепловая скорость электрона , формула для оценки скорости электронов при распределении Максвелла . Средняя скорость, наиболее вероятная скорость и среднеквадратичная скорость отличаются от этого выражения лишь множителями порядка единицы:
  • тепловая скорость иона , формула для оценки скорости ионов при распределении Максвелла :
  • скорость ионного звука , скорость продольных ионно-звуковых волн:
  • Альфвеновская скорость , скорость Альфвеновских волн :

Безразмерные величины

  • квадратный корень из отношения масс электрона и протона :
  • Число частиц в сфере Дебая:
  • Отношение Альфвеновской скорости к скорости света
  • отношение плазменной и ларморовской частот для электрона
  • отношение плазменной и ларморовской частот для иона
  • отношение тепловой и магнитной энергий
  • отношение магнитной энергии к энергии покоя ионов

Прочее

  • Бомовский коэффициент диффузии
  • Поперечное сопротивление Спитцера

Одно и тоже вещество в природе имеет возможность кардинальным образом варьировать свои свойства в зависимости от показателей температуры и давления. Прекрасным примером тому может служить вода, которая существует в виде твёрдого льда, жидкости и пара. Это три агрегатных состояния данной субстанции, имеющей химическую формулу Н 2 О. Другие вещества в естественных условиях способны менять свои характеристики аналогическим образом. Но кроме перечисленных, в природе существует и другое агрегатное состояние - плазма. Это достаточно редкая в земных условиях наделённая особыми качествами.

Молекулярное строение

От чего зависят 4 состояния вещества, в котором пребывает материя? От взаимодействия элементов атома и самих молекул, наделённых свойствами взаимного отталкивания и притяжения. Указанные силы самокомпенсируются в твёрдом состоянии, где атомы располагаются геометрически правильно, образуя кристаллическую решётку. При этом материальный объект способен сохранять обе упомянутые выше качественные характеристики: объём и форму.

Но стоит кинетической энергии молекул увеличится, хаотично двигаясь, они разрушают установленный порядок, превращаясь в жидкости. Они обладают текучестью и характеризуются отсутствием геометрических параметров. Но при этом данная субстанция сохраняет свою способность не менять общий объём. В газообразном состоянии взаимное притяжение между молекулами полностью отсутствует, поэтому газ не имеет формы и обладает возможностью неограниченного расширения. Но концентрация вещества при этом значительно падает. Сами молекулы в обычных условиях не меняются. В этом заключается основная особенность первых 3 из 4 состояний вещества.

Трансформация состояний

Процесс превращения твёрдого тела в другие формы возможно осуществить, постепенно увеличивая температуру и варьируя показатели давления. При этом переходы будут происходить скачкообразно: расстояние между молекулами заметно увеличится, разрушатся межмолекулярные связи с изменением плотности, энтропии, количества свободной энергии. Вероятна также трансформация твёрдого тела сразу в газообразную форму, минуя промежуточные этапы. Она носит название сублимации. Подобный процесс вполне возможен в обычных земных условиях.

Но когда показатели температуры и давления достигают критического уровня, образуется Внутренняя энергия вещества настолько увеличивается, что электроны, двигаясь с бешенной скоростью, покидают свои внутриатомные орбиты. При этом образуются положительные и отрицательные частицы, но плотность их в получившейся структуре остаётся практически одинаковой. Таким образом возникает плазма - агрегатное состояние вещества, представляющего, по сути, газ, полностью или частично ионизированный, элементы которого наделены способностью на больших расстояниях взаимодействовать между собой.

Высокотемпературная плазма космоса

Плазма, как правило, субстанция нейтральная, хотя и состоит из заряженных частиц, потому что положительные и отрицательные элементы в ней, будучи приблизительно равными по количеству, компенсируют друг друга. Это агрегатное состояние в обычных земных условиях встречается реже других, упомянутых ранее. Но несмотря на это, большинство космических тел состоит именно из природной плазмы.

Примером тому могут служить Солнце и прочие многочисленные звёзды Вселенной. Там показатели температуры фантастический высоки. Ведь на поверхности главного светила нашей планетарной системы они достигают 5 500°С. Это более чем в полсотни раз превышает те параметры, которые необходимы для того, чтобы закипела вода. В центре же огнедышащего шара температура составляет 15 000 000°С. Неудивительно, что газы (в основном это водород) там ионизируются, достигая агрегатного состояния плазмы.

Низкотемпературная плазма в природе

Межзвёздная среда, заполняющая галактическое пространство, также состоит из плазмы. Но она отличается от высокотемпературной её разновидности, описанной ранее. Подобная субстанция состоит из ионизированного вещества, возникающего вследствие излучения, испускаемого звёздами. Это низкотемпературная плазма. Таким же образом солнечные лучи, достигая пределов Земли, создают ионосферу и находящийся над ней радиационный пояс, состоящий из плазмы. Различия лишь в составе вещества. Хотя в подобном состоянии могут находится все элементы, представленные в таблице Менделеева.

Плазма в условиях лаборатории и её применение

Согласно законам легко получается в привычных для нас условиях. При проведения лабораторных опытов достаточно конденсатора, диода и сопротивления, подключённых последовательно. Подобная цепь на секунду подсоединяется к источнику тока. И если прикоснуться проводами к металлической поверхности, то частицы её самой, а также расположенные вблизи молекулы паров и воздуха ионизируются и оказываются в агрегатном состоянии плазмы. Аналогичные свойства материи используются при создании ксеноновых и неоновых экранов и сварочных аппаратов.

Плазма и природные явления

В естественных условиях плазму можно наблюдать в свете Северного сияния и во время грозы в виде шаровой молнии. Объяснение некоторым природным явлениям, которым ранее приписывались мистические свойства, ныне дала современная физика. Плазма, образующаяся и светящаяся на концах высоких и острых предметов (мачтах, башнях, огромных деревьях) при особом состоянии атмосферы, столетия назад принималась моряками за вестник удачи. Именно поэтому данное явление получило название «Огни святого Эльма».

Видя коронный разряд в облике светящихся кисточек или пучков во время грозы в шторм, путешественники принимали это за доброе предзнаменование, понимая, что избежали опасности. Неудивительно, ведь возвышающиеся над водой объекты, подходящие для «знаков святого», могли говорить о приближении судна к берегу или пророчить встречу с другими кораблями.

Неравновесная плазма

Приведённые выше примеры красноречиво свидетельствуют о том, что не обязательно нагревать вещество до фантастических температур, чтобы добиться состояния плазмы. Для ионизации достаточно использовать силу электромагнитного поля. При этом тяжёлые составные элементы материи (ионы) не приобретают значительную энергию, ведь температура при осуществлении этого процесса вполне может не превышать по Цельсию нескольких десятков градусов. В таких условиях лёгкие электроны, отрываясь от основного атома, движутся значительно быстрее более инертных частиц.

Подобная холодная плазма называется неравновесной. Кроме плазменных телевизоров и неоновых ламп, она используется также при очистке воды и продуктов питания, применяется для дезинфекции в медицинских целях. К тому же холодная плазма способна содействовать ускорению химических реакций.

Принципы использования

Прекрасным примером того, как применяется во благо человечества искусственно созданная плазма, является изготовление плазменных мониторов. Ячейки такого экрана наделены способностью излучать свет. Панель представляет собой некий «бутерброд» из стеклянных листов, близко расположенных друг к другу. Между ними размещаются коробочки со смесью инертных газов. Ими могут быть неон, ксенон, аргон. А на внутреннюю поверхность ячеек наносятся люминофоры синего, зелёного, красного цвета.

Снаружи ячеек подведены токопроводящие электроды, между которыми создаётся напряжение. В результате этого возникает электрическое поле и, как следствие, молекулы газа ионизируются. Образующаяся плазма испускает ультрафиолетовые лучи, поглощаемые люминофорами. Ввиду это возникает явление флуоресценции посредством испускаемых при этом фотонов. За счёт сложного соединения лучей в пространстве возникает яркое изображение самых разнообразных оттенков.

Плазменные ужасы

Смертоносный облик принимает эта форма материи во время ядерного взрыва. Плазма в больших объёмах образуется во время течения данного неуправляемого процесса с высвобождением огромного количества различных видов энергии. возникшая в результате запуска в действие детонатора, вырывается наружу и нагревает в первые секунды до гигантских температур окружающий воздух. На этом месте возникает смертоносный огненный шар, нарастающий с внушительной скоростью. Видимая область яркой сферы увеличивается за счёт ионизированного воздуха. Сгустки, клубы и струи плазмы взрыва формируют ударную волну.

Первое время светящийся шар, наступая, мгновенно поглощает всё на своём пути. В пыль превращаются не только кости и ткани человека, но и твёрдые скалы, разрушаются даже самые прочные искусственные сооружения и объекты. Не спасают бронированные двери в надёжные убежища, расплющиваются танки и другая боевая техника.

Плазма по своим свойствам напоминает газ тем, что не обладает определёнными формами и объёмом, в следствие этого она способна неограниченно расширяться. По данной причине многие физики высказывают мнение, что считать её отдельным агрегатным состоянием не следует. Однако существенные отличия её от просто горячего газа налицо. К ним относятся: возможность проводить электрические токи и подверженность влиянию магнитных полей, неустойчивость и способность составных частиц иметь разные показатели скоростей и температур, при этом коллективно взаимодействовать между собой.

Слово "плазма" имеет много значений, в их числе и физический термин. Итак, что такое плазма в физике?

Плазма - это ионизированный газ, который образуют нейтральные молекулы и заряженные частицы. Этот газ является ионизированным - от оболочки его атомов отделен минимум один электрон. Отличительной особенностью данной среды можно назвать ее квазинейтральность. Квазинейтральность означает, что среди всех зарядов в единице объема плазмы число положительных равно числу отрицательных.

Мы знаем, что вещество может быть газообразным, жидким или твердым - и эти состояния, именуемые агрегатными, способны перетекать одно в другое. Так вот, плазма считается четвертым агрегатным состоянием, в котором может пребывать вещество.

Итак, плазму отличают два основных свойства - ионизированность и квазинейтральность. О других ее особенностях мы поговорим далее, а вначале обратим внимание на происхождение термина.

Плазма: история определения

Проводить исследования разрядов начал Отто фон Герике с 1972 года, однако в течение двух с половиной следующих столетий ученые не могли выявить особые свойства и отличительные черты ионизированного газа.

Автором термина "плазма" как физического и химического определения считают Ирвинга Лэнгмюра. Ученый проводил опыты с частично ионизированной плазмой. В 1923 он и другой американский физик Тонкс предложили сам термин.

Физика плазмы зародилась в период между 1922-1929 годами.

Слово "плазма" по происхождению греческое, означает пластичную вылепленную фигуру.

Что такое плазма: свойства, формы, классификация

Если вещество нагревать, по достижении определенного значения температуры оно станет газообразным. Если продолжить нагревание, то газ начнет распадаться на составляющие его атомы. Потом они превращаются в ионы: это и есть плазма.

Есть разные формы этого состояния вещества. Плазма проявляется в земных условиях в разрядах молний. Также она образует ионосферу - это слой в верхнем слое атмосферы. Ионосфера появляется под действием ультрафиолета и делает возможным передачу радиосигналов на дальние расстояния.

Во Вселенной плазмы намного больше. Барионное вещество Вселенной почти полностью находится в состоянии плазмы. Плазма образует звезды, включая Солнце. Другие формы плазмы, встречающиеся в космосе - межзвездные туманности, солнечный ветер (поток ионизированных частиц, идущий от Солнца).

В природе, помимо молний и ионосферы, плазма существует в форме таких интересных явлений, как огни Святого Эльма, Северное сияние.

Есть искусственная плазма - например, в люминисцентных и плазменных лампах, в электрических дугах дуговых ламп и т.д.

Классификация плазм

Плазмы бывают:

  • идеальные, неидеальные;
  • высоко- , низкотемпературные;
  • неравновесные и равновесные.

Плазма и газ: сравнение

Плазма и газ во многом схожи, однако есть существенные отличия в их свойствах. Например, по электрической проводимости газ и плазма различны - у газа низкие значения по данному параметру, у плазмы, напротив, высокие. Газ состоит из подобных частиц, плазма - из разных по свойствам - заряду, скорости движения и т.п.

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Тихоокеанский государственный экономический университет

Кафедра физики

Тема: Плазма - четвертое состояние вещества

Выполнила:

Агрега́тное состоя́ние - состояние вещества, характеризующееся определёнными качественными свойствами: способностью или неспособностью сохранять объём и форму, наличием или отсутствием дальнего и ближнего порядка и другими. Изменение агрегатного состояния может сопровождаться скачкообразным изменением свободной энергии, энтропии, плотности и других основных физических свойств.

Известно, что любое вещество может существовать только в одном из трех состояний: твердом, жидком или газообразном, классическим примером чему является вода, которая может быть в виде льда, жидкости и пара. Однако веществ, пре­бывающих в этих считающихся бесспорными и общераспространенными состояниях, если брать всю Вселенную в целом, очень мало. Они вряд ли пре­вышают то, что в химии считается ничтожно малыми следами. Все остальное вещество Вселенной пребывает в так называемом плазменном состоянии.

Словом «плазма» (от греч. «плазма» - «оформленное») в середине XIX

в. стали именовать бесцветную часть крови (без красных и белых телец) и

жидкость, наполняющую живые клетки. В 1929 г. американские физики Ирвинг Лёнгмюр (1881-1957) и Леви Тонко (1897-1971) назвали плазмой ионизованный газ в газоразрядной трубке.

Английский физик Уильям Крукс (1832-1919), изучавший электрический

разряд в трубках с разрежённым воздухом, писал: «Явления в откачанных

трубках открывают для физической науки новый мир, в котором материя может существовать в четвёртом состоянии».

В зависимости от температуры любое вещество изменяет своё

состояние. Так, вода при отрицательных (по Цельсию) температурах находится в твёрдом состоянии, в интервале от 0 до 100 "С - в жидком, выше 100 °С-в газообразном. Если температура продолжает расти, атомы и молекулы начинают терять свои электроны - ионизуются и газ превращается в плазму. При температурах более 1000000 °С плазма абсолютно ионизована - она состоит только из электронов и положительных ионов. Плазма - наиболее распространённое состояние вещества в природе, на неё приходится около 99 % массы Вселенной. Солнце, большинство звёзд, туманности - это полностью ионизованная плазма. Внешняя часть земной атмосферы (ионосфера) тоже плазма.

Ещё выше располагаются радиационные пояса, содержащие плазму.

Полярные сияния, молнии, в том числе шаровые, - всё это различные виды плазмы, наблюдать которые можно в естественных условиях на Земле. И лишь ничтожную часть Вселенной составляет вещество в твёрдом состоянии - планеты, астероиды и пылевые туманности.

Под плазмой в физике понимают газ, состоящий из электрически

заряженных и нейтральных частиц, в котором суммарный электрический заряд равен нулю, т. с. выполнено условие квазинейтральности (поэтому, например, пучок электронов, летящих в вакууме, не плазма: он несет отрицательный заряд).

1.1. Наиболее типичные формы плазмы

Наиболее типичные формы плазмы

Искусственно созданная плазма Плазменная панель (телевизор, монитор) Вещество внутри люминесцентных (в т. ч. компактных) и неоновых ламп Плазменные ракетные двигатели Газоразрядная корона озонового генератора Исследования управляемого термоядерного синтеза Электрическая дуга в дуговой лампе и в дуговой сварке Плазменная лампа (см. рисунок) Дуговой разряд от трансформатора Теслы Воздействие на вещество лазерным излучением Светящаяся сфера ядерного взрыва

Земная природная плазма Молния Огни святого Эльма Ионосфера Языки пламени (низкотемпературная плазма)

Космическая и астрофизическая плазма Солнце и другие звезды (те, которые существуют за счет термоядерных реакций) Солнечный ветер Космическое пространство (пространство между планетами, звездами игалактиками) Межзвездные туманности

Свойства и параметры плазмы

Плазма обладает следующими свойствами:

Достаточная плотность: заряженные частицы должны находиться достаточно близко друг к другу, чтобы каждая из них взаимодействовала с целой системой близкорасположенных заряженных частиц. Условие считается выполненным, если число заряженных частиц в сфере влияния (сфера радиусом Дебая) достаточно для возникновения коллективных эффектов (подобные проявления - типичное свойство плазмы). Математически это условие можно выразить так:

, где - концентрация заряженных частиц.

Приоритет внутренних взаимодействий: радиус дебаевского экранирования должен быть мал по сравнению с характерным размером плазмы. Этот критерий означает, что взаимодействия, происходящие внутри плазмы более значительны по сравнению с эффектами на ее поверхности, которыми можно пренебречь. Если это условие соблюдено, плазму можно считать квазинейтральной. Математически оно выглядит так:

Плазменная частота: среднее время между столкновениями частиц должно быть велико по сравнению с периодом плазменных колебаний. Эти колебания вызываются действием на заряд электрического поля, возникающего из-за нарушения квазинейтральности плазмы. Это поле стремится восстановить нарушенное равновесие. Возвращаясь в положение равновесия, заряд проходит по инерции это положение, что опять приводит к появлению сильного возвращающего поля, возникают типичные механические колебания. Когда данное условие соблюдено, электродинамические свойства плазмы преобладают над молекулярно-кинетическими. На языке математики это условие имеет вид:

2.1. Классификация

Плазма обычно разделяется на идеальную и неидеальную, низкотемпературную и высокотемпературную, равновесную и неравновесную, при этом довольно часто холодная плазма бывает неравновесной, а горячая равновесной.

2.2. Температура

При чтении научно-популярной литературы читатель зачастую видит значения температуры плазмы порядка десятков, сотен тысяч или даже миллионов °С или К. Для описания плазмы в физике удобно измерять температуру не в °С, а в единицах измерения характерной энергии движения частиц, например, в электрон-вольтах (эВ). Для перевода температуры в эВ можно воспользоваться следующим соотношением: 1 эВ = 11600 K (Кельвин). Таким образом становится понятно, что температура в «десятки тысяч °С» достаточно легко достижима.

В неравновесной плазме электронная температура существенно превышает температуру ионов. Это происходит из-за различия в массах иона и электрона, которое затрудняет процесс обмена энергией. Такая ситуация встречается в газовых разрядах, когда ионы имеют температуру около сотен, а электроны около десятков тысяч K.

В равновесной плазме обе температуры равны. Поскольку для осуществления процесса ионизации необходимы температуры, сравнимые с потенциалом ионизации, равновесная плазма обычно является горячей (с температурой больше нескольких тысяч K).

Понятие высокотемпературная плазма употребляется обычно для плазмы термоядерного синтеза, который требует температур в миллионы K.

2.3. Степень ионизации

Для того, чтобы газ перешел в состояние плазмы, его необходимо ионизировать. Степень ионизации пропорциональна числу атомов, отдавших или поглотивших электроны, и больше всего зависит оттемпературы. Даже слабо ионизированный газ, в котором менее 1 % частиц находятся в ионизированном состоянии, может проявлять некоторые типичные свойства плазмы (взаимодействие с внешнимэлектромагнитным полем и высокая электропроводность). Степень ионизации α определяетя как α = ni/(ni + na), где ni - концентрация ионов, а na - концентрация нейтральных атомов. Концентрация свободных электронов в незаряженной плазме ne определяется очевидным соотношением: ne= ni, где - среднее значение заряда ионов плазмы.

Для низкотемпературной плазмы характерна малая степень ионизации (до 1 %). Так как такие плазмы довольно часто употребляются в технологических процессах, их иногда называют технологичными плазмами. Чаще всего их создают при помощи электрических полей, ускоряющих электроны, которые в свою очередь ионизируют атомы. Электрические поля вводятся в газ посредством индуктивной или емкостной связи (см. индуктивно-связанная плазма). Типичные применения низкотемпературной плазмы включают плазменную модификацию свойств поверхности (алмазные пленки, нитридирование металлов, изменение смачиваемости), плазменное травление поверхностей (полупроводниковая промышленность), очистка газов и жидкостей (озонирование воды и сжигание частичек сажи в дизельных двигателях).