Кое е четвъртото състояние на материята, с какво се различава от останалите три и как да го накараме да служи на човека.

Предположението за съществуването на първото от състоянията на материята извън класическата триада е направено в началото на 19 век, а през 20-те години на миналия век то получава името си - плазма

Преди сто и петдесет години почти всички химици и много физици вярваха, че материята се състои само от атоми и молекули, които са комбинирани в повече или по-малко подредени или напълно неподредени комбинации. Малцина се съмняваха, че всички или почти всички вещества са способни да съществуват в три различни фази - твърда, течна и газообразна, които приемат в зависимост от външни условия. Но хипотези за възможността за други състояния на материята вече са изразени.

Този универсален модел е потвърден както от научни наблюдения, така и от хилядолетен опит в ежедневието. В края на краищата, всеки знае, че когато водата се охлади, тя се превръща в лед, а когато се нагрява, кипи и се изпарява. Оловото и желязото също могат да се превърнат в течност и газ, само трябва да се нагреят по-силно. От края на 18 век изследователите замразяват газове в течности и изглеждаше правдоподобно всеки втечнен газ по принцип да може да се втвърди. Като цяло, една проста и разбираема картина на трите състояния на материята изглежда не изисква корекции или допълнения.


На 70 км от Марсилия, в Сен-Пол-ле-Дюранс, до френския изследователски център за атомна енергия Кадараш, ще бъде построен изследователски термоядрен реактор ITER (от лат. iter - път). Основната официална мисия на този реактор е да „демонстрира научната и технологична осъществимост на производството на термоядрена енергия за мирни цели“. В дългосрочен план (30-35 години), въз основа на данните, получени по време на експериментите в реактора ITER, могат да бъдат създадени прототипи на безопасни, екологични и икономически изгодни електроцентрали.

Учените от онова време биха били доста изненадани да научат, че твърдите, течните и газообразните състояния на атомно-молекулярната материя се запазват само при относително ниски температури, не повече от 10 000°, и дори в тази зона не са изчерпани всички възможни структури (например течни кристали). Не би било лесно да се повярва, че те представляват не повече от 0,01% от общата маса на настоящата Вселена. Сега знаем, че материята се реализира в много екзотични форми. Някои от тях (като изроден електронен газ и неутронна материя) съществуват само в свръхплътни космически тела (бели джуджета и неутронни звезди), а някои (като кварк-глуонна течност) са родени и изчезнали за кратък момент малко след Голям взрив. Интересно е обаче, че предположението за съществуването на първата от държавите, които надхвърлят класическата триада, е направено през същия деветнадесети век и то в самото му начало. В темата научни изследваниятой се развива много по-късно, през 20-те години на миналия век. Тогава получи името си - плазма.

От Фарадей до Лангмюр

През втората половина на 70-те години на 19 век Уилям Крукс, член на Лондонското кралско общество, много успешен метеоролог и химик (той открива талия и изключително точно определя атомното му тегло), се интересува от газовите разряди във вакуум тръби. По това време е известно, че отрицателният електрод излъчва еманации с неизвестна природа, които немският физик Ойген Голдщайн през 1876 г. нарича катодни лъчи. След много експерименти Крукс решава, че тези лъчи не са нищо повече от газови частици, които след сблъсък с катода придобиват отрицателен заряд и започват да се движат към анода. Той нарече тези заредени частици „лъчиста материя“.


Токамак е инсталация с тороидална форма за задържане на плазма с помощта на магнитно поле. Плазма, нагрята до много висока степен високи температури, не се допира до стените на камерата, а се задържа от магнитни полета – тороидално, създавано от намотките, и полоидално, което се образува при протичане на ток в плазмата. Самата плазма действа като вторична намотка на трансформатора (първичната намотка е бобината за създаване на тороидално поле), което осигурява предварително загряване при протичане на електрически ток.

Трябва да се признае, че Крукс не беше оригинален в това обяснение на природата на катодните лъчи. Още през 1871 г. подобна хипотеза е изразена от видния британски електроинженер Кромуел Флийтууд Варли, един от ръководителите на работата по полагането на първия трансатлантически телеграфен кабел. Резултатите от експериментите с катодни лъчи обаче наведоха Крукс на много дълбока мисъл: средата, в която те се разпространяват, вече не е газ, а нещо съвсем различно. На 22 август 1879 г., на сесия на Британската асоциация за напредък на науката, Крукс заявява, че разрядите в разредени газове „са толкова различни от всичко, което се случва във въздуха или всеки газ под обикновено налягане, че в този случай имаме работа с вещество в четвърто състояние, което по свойства се различава от обикновения газ в същата степен, в която газът се различава от течността.”

Често се пише, че Крукс пръв се е сетил за четвъртото състояние на материята. Всъщност тази идея хрумва на Майкъл Фарадей много по-рано. През 1819 г., 60 години преди Крукс, Фарадей предполага, че материята може да съществува в твърдо, течно, газообразно и лъчисто състояние, лъчистото състояние на материята. В доклада си Крукс директно каза, че използва термини, заимствани от Фарадей, но по някаква причина неговите потомци са забравили за това. Идеята на Фарадей обаче все още е спекулативна хипотеза и Крукс я обосновава с експериментални данни.

Катодните лъчи са интензивно изследвани дори след Крукс. През 1895 г. тези експерименти доведоха Уилям Рьонтген до откриването на нов вид електромагнитно излъчване, а в началото на двадесети век доведе до изобретяването на първите радиолампи. Но хипотезата на Крукс за четвъртото състояние на материята не привлече интерес сред физиците, най-вероятно защото през 1897 г. Джоузеф Джон Томсън доказа, че катодните лъчи не са заредени газови атоми, а много леки частици, които той нарече електрони. Това откритие изглежда прави хипотезата на Крукс ненужна.


Снимка на тестовото изстрелване на корейския токамак KSTAR (Korea Superconducting Tokamak Advanced Reactor), произвеждащ "първата плазма" на 15 юли 2008 г. KSTAR, изследователски проект за изследване на възможността за ядрен синтез за енергия, използва 30 свръхпроводящи магнита, охлаждани с течен хелий.

Тя обаче се преражда като феникс от пепелта. През втората половина на 20-те години бъдещето Нобелов лауреатпо химия Ървинг Лангмюр, който работи в лабораторията на General Electric Corporation, се занимава тясно с изследването на газовите разряди. Тогава вече знаеха, че в пространството между анода и катода газовите атоми губят електрони и се превръщат в положително заредени йони. Осъзнавайки, че такъв газ има много специални свойства, Лангмюр реши да го дари собствено име. По някаква странна асоциация той избра думата „плазма“, която преди това се използваше само в минералогията (другото име на зеления халцедон) и в биологията (течната основа на кръвта, както и суроватката). В новото си качество терминът „плазма“ се появява за първи път в статията на Langmuir „Колебания в йонизираните газове“, публикувана през 1928 г. В продължение на около тридесет години малко хора използваха този термин, но след това той твърдо влезе в научната употреба.

Физика на плазмата

Класическата плазма е йонно-електронен газ, вероятно разреден с неутрални частици (стриктно погледнато, там винаги присъстват фотони, но при умерени температури те могат да бъдат игнорирани). Ако степента на йонизация не е твърде ниска (обикновено един процент е достатъчен), този газ проявява много специфични качества, които обикновените газове не притежават. Възможно е обаче да се получи плазма, в която изобщо няма да има свободни електрони, а отрицателните йони ще поемат техните отговорности.


За простота ще разгледаме само електронно-йонна плазма. Неговите частици се привличат или отблъскват в съответствие със закона на Кулон и това взаимодействие се проявява на големи разстояния. Точно по това се различават от атомите и молекулите на неутралния газ, които се усещат само на много къси разстояния. Тъй като плазмените частици са в свободен полет, те лесно се изместват от електрически сили. За да бъде плазмата в състояние на равновесие, е необходимо пространствените заряди на електроните и йоните напълно да се компенсират взаимно. Ако това условие не е изпълнено, плазма електрически токове, които възстановяват баланса (например, ако в някаква област се образува излишък от положителни йони, електроните моментално ще се втурнат там). Следователно в равновесна плазма плътностите на частиците с различни знаци са практически еднакви. Това най-важно свойство се нарича квазинеутралност.

Почти винаги атомите или молекулите на обикновен газ участват само в двойни взаимодействия - те се сблъскват един с друг и се разлитат. Плазмата е друго нещо. Тъй като неговите частици са свързани с далечни кулонови сили, всяка от тях е в полето на близки и далечни съседи. Това означава, че взаимодействието между плазмените частици не е сдвоено, а множествено, както казват физиците, колективно. Това предполага стандартната дефиниция на плазмата - квазинеутрална система голям бройпротивоположно заредени частици, демонстриращи колективно поведение.


Мощните ускорители на електрони имат типична дължина от стотици метри и дори километри. Техните размери могат да бъдат значително намалени, ако електроните се ускоряват не във вакуум, а в плазма - "на гребена" на бързо разпространяващи се смущения в плътността на плазмените заряди, така наречените събуждащи вълни, възбудени от импулси на лазерно лъчение.

Плазмата се различава от неутралния газ по реакцията си към външни електрически и магнитни полета (обикновеният газ практически не ги забелязва). Плазмените частици, напротив, усещат произволно слаби полета и веднага започват да се движат, генерирайки пространствени заряди и електрически токове. Още един най-важната характеристикаравновесна плазма - екраниране на заряда. Да вземем плазмена частица, да речем положителен йон. Той привлича електрони, които образуват облак от отрицателен заряд. Полето на такъв йон се държи в съответствие със закона на Кулон само в близост до него и на разстояния, надвишаващи определена критична стойност, много бързо се стреми към нула. Този параметър се нарича екраниращ радиус на Дебай на името на холандския физик Питър Дебай, който описва този механизъм през 1923 г.

Лесно е да се разбере, че плазмата запазва квазинеутралност само ако линейни размеривъв всички измервания значително надвишава радиуса на Дебай. Струва си да се отбележи, че този параметър се увеличава при нагряване на плазмата и намалява с увеличаване на нейната плътност. В плазмата на газовите разряди порядъкът на величината е 0,1 mm, в йоносферата на земята - 1 mm, в слънчевото ядро ​​- 0,01 nm.

Контролиран термоядрен

Плазмата се използва в голямо разнообразие от технологии в наши дни. Някои от тях са известни на всички (газови лампи, плазмени дисплеи), други представляват интерес тесни специалисти(производство на тежкотоварни защитни филмови покрития, производство на микрочипове, дезинфекция). Най-големи надежди на плазмата обаче се възлагат във връзка с работата по осъществяването на контролирани термоядрени реакции. Това е разбираемо. За да могат водородните ядра да се слеят в хелиеви ядра, те трябва да бъдат събрани на разстояние от около стомилиардна от сантиметъра - и тогава ядрените сили ще започнат да действат. Такова сближаване е възможно само при температури от десетки и стотици милиони градуси - в този случай кинетичната енергия на положително заредените ядра е достатъчна, за да преодолее електростатичното отблъскване. Следователно контролираният термоядрен синтез изисква високотемпературна водородна плазма.


Плазмата е почти вездесъща в околния свят - може да се намери не само в газови разряди, но и в йоносферата на планетите, в повърхностните и дълбоки слоеве на активни звезди. Това е и среда за осъществяване на контролирани термоядрени реакции, и работна течност за космически електрически задвижващи двигатели, и много, много повече.

Вярно е, че плазмата на базата на обикновен водород няма да помогне тук. Такива реакции се случват в дълбините на звездите, но те са безполезни за земната енергия, тъй като интензивността на освобождаване на енергия е твърде ниска. Най-добре е да използвате плазма от смес от тежките водородни изотопи деутерий и тритий в съотношение 1:1 (чистата деутериева плазма също е приемлива, въпреки че ще осигури по-малко енергия и ще изисква по-високи температури за запалване).

Самото нагряване обаче не е достатъчно, за да започне реакцията. Първо, плазмата трябва да е достатъчно плътна; второ, частиците, влизащи в реакционната зона, не трябва да я напускат твърде бързо - в противен случай загубата на енергия ще надвиши нейното освобождаване. Тези изисквания могат да бъдат представени под формата на критерий, предложен от английския физик Джон Лоусън през 1955 г. В съответствие с тази формула произведението на плътността на плазмата и средното време на задържане на частиците трябва да бъде по-високо от определена стойност, определена от температурата, състава на термоядреното гориво и очаквания коеф. полезно действиереактор.


Лесно е да се види, че има два начина за удовлетворяване на критерия на Лоусън. Възможно е да се намали времето за задържане до наносекунди чрез компресиране на плазмата, да речем, до 100−200 g/cm3 (тъй като плазмата няма време да се разлети, този метод на задържане се нарича инерционен). Физиците работят върху тази стратегия от средата на 60-те години; Сега неговата най-модерна версия се разработва от Ливърморската национална лаборатория. Тази година те ще започнат експерименти за компресиране на миниатюрни берилиеви капсули (диаметър 1,8 mm), пълни с деутериево-тритиева смес, използвайки 192 ултравиолетови лазерни лъча. Ръководителите на проекта смятат, че не по-късно от 2012 г. те ще могат не само да запалят термоядрена реакция, но и да получат положителна енергия. Може би подобна програма в рамките на проекта HiPER (High Power Laser Energy Research) ще бъде стартирана в Европа през следващите години. Въпреки това, дори ако експериментите в Ливърмор напълно оправдаят очакванията, разстоянието до създаването на истински термоядрен реактор с инерционно задържане на плазмата ще остане много голямо. Факт е, че за създаването на прототип на електроцентрала е необходима много бързодействаща система от свръхмощни лазери. Тя трябва да осигури честота на проблясъци, които запалват деутериево-тритиеви цели, която ще бъде хиляди пъти по-голяма от възможностите на системата Livermore, която изстрелва не повече от 5-10 изстрела в секунда. Сега активно се обсъждат различни възможности за създаване на подобни лазерни оръдия, но тяхното практическо прилагане е все още много далеч.

Токамаки: старата гвардия

Като алтернатива може да се работи с разредена плазма (плътност от нанограма на кубичен сантиметър), като се задържи в реакционната зона поне за няколко секунди. В такива експерименти повече от половин век се използват различни магнитни капани, които задържат плазмата в даден обем чрез прилагане на няколко магнитни полета. Най-обещаващите се считат за токамаци - затворени магнитни капани във формата на тор, предложени за първи път от А. Д. Сахаров и И. Е. Там през 1950 г. В момента в различни страниИма дузина такива инсталации в експлоатация, най-големите от които са позволили да се доближим до изпълнението на критерия на Лоусън. Международният експериментален термоядрен реактор, известният ITER, който ще бъде построен в село Кадараш близо до френския град Екс ан Прованс, също е токамак. Ако всичко върви по план, ITER ще позволи за първи път да се произведе плазма, която отговаря на критерия на Лоусън и да се запали термоядрена реакция в нея.


„През последните две десетилетия постигнахме огромен напредък в разбирането на процесите, които се случват в магнитните плазмени капани, по-специално в токамаците. Като цяло вече знаем как се движат плазмените частици, как възникват нестабилни състояния на плазмените потоци и до каква степен плазменото налягане може да бъде увеличено, така че да може да бъде задържано магнитно поле. Създадени са и нови високопрецизни методи за диагностика на плазмата, тоест измерване на различни параметри на плазмата,” Иън Хътчинсън, професор по ядрена физика и ядрени технологии в Масачузетския технологичен институт, който работи върху токамаци повече от 30 години, каза PM. — Към днешна дата най-големите токамаци са постигнали мощност на освобождаване на топлинна енергия в деутериево-тритиева плазма от порядъка на 10 мегавата за една до две секунди. ITER ще надхвърли тези цифри с няколко порядъка. Ако не грешим в изчисленията си, той ще може да произведе поне 500 мегавата за няколко минути. Ако имате истински късмет, енергията ще се генерира без ограничение във времето, в стабилен режим.

Професор Хътчинсън също така подчерта, че учените сега имат добро разбиране за природата на процесите, които трябва да се случват вътре в този огромен токамак: „Ние дори знаем условията, при които плазмата потиска собствената си турбуленция и това е много важно за контролиране на работата на реактора. Разбира се, необходимо е да се решат много технически проблеми— по-специално да завърши разработването на материали за вътрешната облицовка на камерата, които могат да издържат на интензивно неутронно бомбардиране. Но от гледна точка на физиката на плазмата картината е доста ясна – поне така си мислим. ITER трябва да потвърди, че не грешим. Ако всичко върви добре, ще дойде ред на следващото поколение токамак, който ще се превърне в прототип на индустриални термоядрени реактори. Но сега е твърде рано да се говори за това. Междувременно очакваме ITER да започне да функционира до края на това десетилетие. Най-вероятно той ще може да генерира гореща плазма не по-рано от 2018 г., поне според нашите очаквания. Така че от гледна точка на науката и технологиите проектът ITER има добри перспективи.

Министерство на образованието и науката на Руската федерация

Федерална агенция за образование

Тихоокеански държавен икономически университет

Катедра по физика

Тема: Плазма – четвърто агрегатно състояние

Завършено:

Агрегатното състояние е състояние на материята, характеризиращо се с определени качествени свойства: способност или невъзможност за поддържане на обем и форма, наличие или отсъствие на дълъг и близък ред и други. Промяната в състоянието на агрегиране може да бъде придружена от рязка промяна в свободната енергия, ентропията, плътността и други основни физични свойства.

Известно е, че всяко вещество може да съществува само в едно от трите състояния: твърдо, течно или газообразно, класически пример за което е водата, която може да бъде под формата на лед, течност и пара. Въпреки това, ако вземем цялата Вселена като цяло, има много малко вещества, които са в тези считани за безспорни и широко разпространени състояния. Малко вероятно е те да надхвърлят това, което се счита за незначителни следи в химията. Цялата друга материя във Вселената е в така нареченото плазмено състояние.

Думата "плазма" (от гръцки "плазма" - "образувана") в средата на 19 век

V. започва да се нарича безцветната част на кръвта (без червени и бели тела) и

течност, която изпълва живите клетки. През 1929 г. американските физици Ървинг Лангмюр (1881-1957) и Леви Тонко (1897-1971) наричат ​​йонизирания газ в газоразрядна тръба плазма.

Английският физик Уилям Крукс (1832-1919), който изучава електричество

изпускане в тръби с разреден въздух, пише: „Явления в евакуирани

тръбите се отварят за физическа науканов свят, в който материята може да съществува в четвърто състояние."

В зависимост от температурата всяко вещество променя своята

състояние. Така водата при отрицателни (по Целзий) температури е в твърдо състояние, в диапазона от 0 до 100 °C - в течно състояние, над 100 °C - в газообразно състояние, атоми и молекули започват да губят своите електрони - те се йонизират и газът се превръща в плазма. При температури над 1 000 000 °C плазмата е напълно йонизирана - тя се състои само от електрони и положителни йони около 99% от масата на Вселената, Слънцето, повечето звезди, напълно йонизирана плазма. земна атмосфера(йоносфера) също е плазма.

Още по-високо са радиационните пояси, съдържащи плазма.

Полярните сияния, светкавиците, включително кълбовидните светкавици, са различни видове плазма, които могат да се наблюдават в природни условияна Земята. И само незначителна част от Вселената е изградена от твърда материя - планети, астероиди и прахови мъглявини.

Във физиката плазмата се разбира като газ, състоящ се от електрически

заредени и неутрални частици, при които общият електрически заряд е нула, т.е. условието за квазинеутралност е изпълнено (следователно, например, лъч от електрони, летящ във вакуум, не е плазма: той носи отрицателен заряд).

1.1. Най-типичните форми на плазма

Най-типичните форми на плазма

Изкуствено създадена плазмаПлазмен панел (телевизор, монитор) Вещество във флуоресцентни (включително компактни) и неонови лампи Плазмени ракетни двигатели Газоразрядна корона на озонов генератор Изследване на контролиран термоядрен синтез Електрическа дъга в дъгова лампа и при електродъгово заваряване Плазмена лампа (виж фигурата) Дъгов разряд от трансформатор на Тесла Въздействие върху материята с лазерно лъчение Светеща сфера ядрен взрив

Естествената плазма на ЗемятаСветкавица Огън на Свети Елмо Йоносферни пламъци (нискотемпературна плазма)

пространство И астрофизични плазмаСлънцето и други звезди (тези, които съществуват поради термоядрени реакции) Слънчев вятър Космическо пространство (пространството между планети, звезди и галактики) Междузвездни мъглявини

Свойства и параметри на плазмата

Плазмата има следните свойства:

Достатъчна плътност: заредените частици трябва да са достатъчно близо една до друга, така че всяка от тях да взаимодейства с цяла система от близки заредени частици. Условието се счита за изпълнено, ако броят на заредените частици в сферата на влияние (сфера с радиус на Дебай) е достатъчен за възникване на колективни ефекти (такива прояви са типично свойство на плазмата). Математически това условие може да се изрази по следния начин:

, където е концентрацията на заредени частици.

Приоритет на вътрешните взаимодействия: радиусът на скрининга на Дебай трябва да бъде малък в сравнение с характерния размер на плазмата. Този критерий означава, че взаимодействията, възникващи вътре в плазмата, са по-значими в сравнение с ефектите върху нейната повърхност, които могат да бъдат пренебрегнати. Ако това условие е изпълнено, плазмата може да се счита за квазинеутрална. Математически изглежда така:

Плазмена честота: средното време между сблъсъци на частици трябва да бъде голямо в сравнение с периода на плазмените трептения. Тези трептения се причиняват от действието на електрическо поле върху заряда, което възниква поради нарушаване на квазинеутралността на плазмата. Това поле се стреми да възстанови нарушеното равновесие. Връщайки се в равновесно положение, зарядът преминава през това положение по инерция, което отново води до появата на силно връщащо се поле, характерно механични вибрации. Кога това състояниенаблюдавани, електродинамичните свойства на плазмата преобладават над молекулярно-кинетичните. На езика на математиката това състояние изглежда така:

2.1. Класификация

Плазмата обикновено се разделя на идеална и неидеална, нискотемпературна и високотемпературна, равновесна и неравновесна, като доста често студената плазма е неравновесна, а горещата плазма е равновесна.

2.2. температура

Когато чете научно-популярна литература, читателят често вижда стойности на температурата на плазмата от порядъка на десетки, стотици хиляди или дори милиони °C или K. За да се опише плазмата във физиката, е удобно температурата да се измерва не в °C , но в мерни единици на характеристичната енергия на движение на частиците, например в електронволта (eV). За да конвертирате температурата в eV, можете да използвате следната зависимост: 1 eV = 11600 K (Келвин). Така става ясно, че температури от „десетки хиляди °C” са доста лесно постижими.

В неравновесна плазма температурата на електроните значително надвишава температурата на йоните. Това се дължи на разликата в масите на йона и електрона, което затруднява процеса на обмен на енергия. Тази ситуация възниква при газови разряди, когато йоните имат температура около стотици, а електроните имат температура около десетки хиляди K.

В равновесна плазма и двете температури са равни. Тъй като процесът на йонизация изисква температури, сравними с йонизационния потенциал, равновесната плазма обикновено е гореща (с температура над няколко хиляди K).

Терминът високотемпературна плазма обикновено се използва за плазма от термоядрен синтез, която изисква температури от милиони K.

2.3. Степен на йонизация

За да може един газ да се превърне в плазма, той трябва да бъде йонизиран. Степента на йонизация е пропорционална на броя на атомите, отдали или погълнали електрони, и най-вече зависи от температурата. Дори слабо йонизиран газ, в който по-малко от 1% от частиците са в йонизирано състояние, може да прояви някои типични свойства на плазмата (взаимодействие с външно електромагнитно поле и висока електрическа проводимост). Степента на йонизация α се определя като α = ni/(ni + na), където ni е концентрацията на йони, а na е концентрацията на неутрални атоми. Концентрацията на свободни електрони в незаредена плазма ne се определя от очевидната връзка: ne= ни, къде - средна стойност на заряда на плазмените йони.

Нискотемпературната плазма се характеризира с ниска степен на йонизация (до 1%). Тъй като такива плазми се използват доста често в технологични процеси, те понякога се наричат ​​технологични плазми. Най-често те се създават с помощта на електрически полета, които ускоряват електроните, които от своя страна йонизират атомите. Електрически полетавъведени в газа чрез индуктивно или капацитивно свързване (вижте индуктивно свързана плазма). Типичните приложения на нискотемпературната плазма включват плазмена модификация на свойствата на повърхността (диамантени филми, нитриране на метали, модификация на омокряемостта), плазмено ецване на повърхности (полупроводникова индустрия), пречистване на газове и течности (озониране на вода и изгаряне на частици сажди в дизелови двигатели) .

Какво е плазма - необичаен газ

От детството познаваме няколко състояния на агрегация на веществата. Да вземем например водата. Обичайното му състояние е известно на всички - течно, разпространено е навсякъде: реки, езера, морета, океани. Второ физическо състояние– газ. Не го виждаме често. Повечето лесен начинпостигане на газообразно състояние в близост до вода - кипва се. Парата не е нищо повече от газообразното състояние на водата. Третото агрегатно състояние е твърдо тяло. Подобен случай можем да наблюдаваме например през зимните месеци. Ледът е замръзнала вода и има трето агрегатно състояние.
Този пример ясно показва, че почти всяко вещество има три агрегатни състояния. За някои се постига лесно, за други по-трудно (необходими са специални условия).

Но съвременната физика идентифицира друго, независимо състояние на материята - плазмата.

Плазмата е йонизиран газ с еднаква плътност на положителните и отрицателните заряди. Както знаете, при силно нагряване всяко вещество преминава в третото състояние на агрегиране - газ. Ако продължите да загрявате получената газообразно вещество, тогава на изхода получаваме вещество с рязко повишен процес на термична йонизация; атомите, които съставляват газа, се разпадат, за да образуват йони. Това състояние може да се наблюдава с просто око. Нашето Слънце е звезда, подобно на милиони други звезди и галактики във Вселената, няма нищо повече от високотемпературна плазма. За съжаление на Земята плазма не съществува в естествени условия. Но все още можем да го наблюдаваме, например светкавица. В лабораторни условия за първи път плазмата е получена чрез преминаването й през газ. високо напрежение. Днес много от нас използват плазма в ежедневието - това са обикновени газоразрядни флуоресцентни лампи. По улиците често можете да видите неонова реклама, която не е нищо повече от нискотемпературна плазма в стъклени тръби.

За да премине от газообразно състояние в плазма, газът трябва да бъде йонизиран. Степента на йонизация директно зависи от броя на атомите. Друго условие е температурата.

До 1879 г. физиката описва и се ръководи само от три състояния на материята. Докато английският учен, химик и физик Уилям Крукс не започва да провежда експерименти за изследване на проводимостта на електричеството в газовете. Неговите открития включват откриването на елемента талий, производството на хелий в лабораторни условия и, разбира се, първите експерименти с производството на студена плазма в газоразрядни тръби. Познатият термин „плазма” е използван за първи път през 1923 г. от американския учен Лангмюр, а по-късно и от Тонксън. До този момент „плазма“ означаваше само безцветната съставка на кръвта или млякото.

Днешните изследвания показват, че противно на общоприетото схващане, около 99% от цялата материя във Вселената е в състояние на плазма. Всички звезди, цялото междузвездно пространство, галактиките, мъглявините, слънчевото ветрило са типични представители на плазмата.
На земята можем да наблюдаваме такива природни явления като мълния, северно сияние, „огънят на Свети Елмо“, йоносферата на Земята и, разбира се, огън.
Човекът също се научи да използва плазмата за собствена полза. Благодарение на четвъртото агрегатно състояние можем да използваме газоразрядни лампи, плазмени телевизори, електродъгово заваряване и лазери. Можем също да наблюдаваме плазмени явления по време на ядрен взрив или изстрелване на космически ракети.

Едно от приоритетните изследвания в областта на плазмата може да се счита за реакцията на термоядрен синтез, която трябва да стане безопасен заместител на ядрената енергия.

Според класификацията плазмата се разделя на нискотемпературна и високотемпературна, равновесна и неравновесна, идеална и неидеална.
Нискотемпературната плазма се характеризира с ниска степен на йонизация (около 1%) и температура до 100 хиляди градуса. Ето защо плазмата от този вид често се използва в различни технологични процеси (нанасяне на диамантен филм върху повърхността, промяна на омокряемостта на веществото, озониране на вода и др.).

Високотемпературната или „гореща“ плазма има почти 100% йонизация (именно това състояние се разбира под четвъртото агрегатно състояние) и температура до 100 милиона градуса. В природата това са звезди. В земни условия високотемпературната плазма се използва за експерименти с термоядрен синтез. Контролираната реакция е доста сложна и отнема много енергия, но неконтролираната реакция се е доказала като оръжие с колосална сила - термоядрена бомба, тестван от СССР на 12 август 1953 г.
Но това са крайности. Студената плазма доста твърдо зае мястото си в човешкия живот, за полезен контрол термоядрен синтезЗасега можем само да мечтаем; оръжията не са реално приложими.

Но в ежедневието плазмата не винаги е еднакво полезна. Понякога има ситуации, при които плазмените разряди трябва да се избягват. Например, по време на всякакви процеси на превключване наблюдаваме плазмена дъга между контактите, която спешно трябва да бъде изгасена.

При високи температури, под въздействието на електромагн полета с висок интензитет, когато се облъчват от потоци от заредени частици с висока енергия. Характеристикаплазма, което я отличава от обикновената йонизирана плазма, е че линейните размери на обема, който заема плазмата, са много по-големи от т.нар. Радиус на екрана на Debye D (виж). Стойността на D за i-тия с H i и t-roy T i се определя от израза:

където n e и T e - и t-ra съответно, e i - заряд, e-елементарно електрическо. заряд (зареждане), к-. От този израз следва, че в плазмата като правило температурите се различават.

В нискотемпературна плазма енергията е средна или значително по-малка от ефективната йонизационна енергия на частиците; За високотемпературна плазма се счита, че се характеризира с обратното съотношение на посочените енергии (отчита се приносът на разложените частици в йонизацията).

Обикновено нискотемпературната плазма има температура на частиците под 10 5 K, високотемпературната плазма е около 10 -10 8 K. Съотношението на заредените частици към общия брой на всички частици се нарича. степен на йонизация на плазмата. П лазма, получена в лабораторията. условия, е в термодинам. смисъл и винаги е термодинамично неравновесен. енергия и маса водят до нарушаване на локалната термодинам. и стационарност (виж), законът на Планк за радиационното поле, като правило, не е изпълнен. Плазмата се нарича термичен, ако състоянието му е описано в рамките на локален термичен модел. , а именно: всички частици са разпределени по скорост в съответствие със закона на Максуел;параметрите на всички компоненти са еднакви; съставът на плазмата се определя, по-специално, йонният състав се определя между йонизация и (формулата на Eggert-Sach е по същество израз за тези процеси); енергия на населението нивата на всички частици се подчиняват на разпределението на Болцман. Обикновено се характеризира термичната плазма висока степенйонизация и м.б. реализирани в сравнително малък

ефективна енергияобмен на енергия между различни вътрешни степени на свобода: електронни, вибрационни, ротационни. В рамките на всяка степен на свобода обменът на енергия се извършва относително лесно, което води до установяване на квазиравновесни разпределения на частиците според съответните енергии. държави. В този случай те говорят за електроника, трептене, въртене.

t-x на плазмените частици.

Основен Характеристиките на плазмата, които я отличават от неутралната и ни позволяват да разглеждаме плазмата като специално, четвърто състояние на материята (четвърто състояние), са следните.

1) Колективно взаимодействие, т.е. едновременно взаимодействие една с друга на голям брой частици (при нормални условия взаимодействието между частиците обикновено е по двойки), поради факта, че силите на привличане и отблъскване на Кулон намаляват с разстояние много по-бавно от силите на взаимодействие. неутрални частици, т.е. взаимодействие в плазмата са „далечни“.

2) Силно влияние на електричеството.

и маг. полета върху свойствата на плазмата, което води до появата на пространства в плазмата. заряди и токове и определя редица специфични. плазмена светлина.

Едно от най-важните свойства на плазмата е нейната квазинеутралност, т.е. почти пълна взаимна компенсация на зарядите на разстояния, значително по-големи от радиуса на екрана на Дебай. Електрически

полето на отделна заредена частица в плазмата се екранира от полетата на частици със заряд с противоположен знак, т.е. практически намалява до нула на разстояния от порядъка на радиуса на Дебай от частицата. Всяко нарушение на квазинеутралността в обема, зает от плазмата, води до появата на силни електрически токове. полета от пространства. заряди, които възстановяват квазинеутралността на плазмата. По-голямата част от Вселената е в състояние на плазма - звезди, звезди, галактики. мъглявини и междузвездна среда. В близост до Земята плазмата съществува в космоса под формата на „слънчев вятър“, изпълва земната магнитосфера (образувайки радиационния пояс на Земята) и йоносферата.Процесите в околоземната плазма се предизвикват от магнитни полета. бури и полярни сияния. Отразяването на радиовълните от йоносферната плазма дава възможност за радиокомуникации на дълги разстояния на Земята. химическа формула H 2 O. Други вещества в естествени условия са способни да променят характеристиките си по подобен начин. Но освен изброените, в природата съществува и друго агрегатно състояние – плазмата. Той е доста рядък в земните условия и е надарен със специални качества.

Молекулярна структура

От какво зависят 4-те състояния на материята, в които се намира материята? От взаимодействието на елементите на атома и самите молекули, надарени със свойствата на взаимно отблъскване и привличане. Тези сили се самокомпенсират в твърдо състояние, където атомите са подредени геометрично правилно, образувайки кристална решетка. В същото време материалният обект е в състояние да запази и двете горепосочени качествени характеристики: обем и форма.

Но щом кинетичната енергия на молекулите се увеличи, движейки се хаотично, те разрушават установения ред, превръщайки се в течности. Те имат течливост и се характеризират с липса на геометрични параметри. Но в същото време това вещество запазва способността си да не променя общия обем. В газообразно състояние взаимно привличанемежду молекулите напълно отсъства, така че газът няма форма и има възможност за неограничено разширяване. Но концентрацията на веществото пада значително. Самите молекули не се променят при нормални условия. Това е основната характеристика на първите 3 от 4-те състояния на материята.

Трансформация на държавите

Процесът на трансформиране на твърдо вещество в други форми може да се извърши чрез постепенно повишаване на температурата и промяна на налягането. В този случай преходите ще настъпят внезапно: разстоянието между молекулите ще се увеличи значително, междумолекулните връзки ще бъдат унищожени с промяна в плътността, ентропията и количеството свободна енергия. Възможно е също твърдото вещество да се трансформира директно в газообразна форма, заобикаляйки междинните етапи. Нарича се сублимация. Такъв процес е напълно възможен при нормални земни условия.

Но когато индикаторите за температура и налягане достигнат критични нива, вътрешната енергия на веществото се увеличава толкова много, че електроните, движещи се с бясна скорост, напускат вътрешноатомните си орбити. В този случай се образуват положителни и отрицателни частици, но тяхната плътност в получената структура остава почти същата. По този начин възниква плазма - агрегатно състояние на вещество, което всъщност е газ, напълно или частично йонизиран, чиито елементи са надарени със способността да взаимодействат помежду си на големи разстояния.

Високотемпературна космическа плазма

Плазмата по правило е неутрално вещество, въпреки че се състои от заредени частици, тъй като положителните и отрицателните елементи в нея, като са приблизително равни по количество, се компенсират взаимно. Това състояние на агрегиране при нормални земни условия е по-рядко срещано от другите, споменати по-рано. Но въпреки това повечето космически тела се състоят от естествена плазма.

Пример за това е Слънцето и други многобройни звезди на Вселената. Температурите там са фантастично високи. В крайна сметка на повърхността на основното тяло на нашата планетна система те достигат 5500°C. Това е повече от петдесет пъти по-високо от параметрите, необходими за завиране на водата. В центъра на огнедишащата топка температурата е 15 000 000°C. Не е изненадващо, че газовете (главно водород) се йонизират там, достигайки агрегатното състояние на плазмата.

Нискотемпературна плазма в природата

Междузвездната среда, която изпълва галактическото пространство, също се състои от плазма. Но се различава от високотемпературния си сорт, описан по-рано. Такова вещество се състои от йонизирана материя, получена от радиация, излъчвана от звезди. Това е нискотемпературна плазма. По същия начин слънчевите лъчи, достигайки пределите на Земята, създават йоносферата и разположения над нея радиационен пояс, състоящ се от плазма. Разликите са само в състава на веществото. Въпреки че всички елементи, представени в периодичната таблица, могат да бъдат в подобно състояние.

Плазмата в лабораторията и нейното приложение

Съгласно законите може лесно да се постигне при познатите ни условия. При провеждане на лабораторни експерименти са достатъчни последователно свързани кондензатор, диод и съпротивление. Такава верига е свързана към източник на ток за секунда. И ако докоснете метална повърхност с жици, тогава самите частици от нея, както и молекулите на парите и въздуха, разположени наблизо, се йонизират и се оказват в агрегатно състояние на плазма. Подобни свойства на материята се използват за създаване на ксенонови и неонови екрани и заваръчни машини.

Плазма и природни явления

При естествени условия плазмата може да се наблюдава на светлина Северно сияниеи по време на гръмотевична буря под формата на кълбовидна мълния. Съвременната физика вече е предоставила обяснение за някои природни явления, на които преди са били приписвани мистични свойства. Плазма, която се образува и свети в краищата на високи и остри предмети (мачти, кули, огромни дървета) при особено състояние на атмосферата, преди векове е бил приеман от моряците като предвестник на късмет. Ето защо това явление е наречено „Огънят на Св. Елмо“.

Виждайки коронен разряд под формата на светещи пискюли или лъчи по време на гръмотевична буря в буря, пътниците приемаха това като добра поличба, осъзнавайки, че са избегнали опасност. Не е изненадващо, защото предмети, издигащи се над водата, подходящи за „знаци на светец“, могат да показват приближаването на кораб към брега или да пророкуват среща с други кораби.

Неравновесна плазма

Горните примери красноречиво показват, че не е необходимо веществото да се нагрява до фантастични температури, за да се постигне плазмено състояние. За йонизация е достатъчно да се използва силата на електромагнитното поле. При това тежък съставни елементиматерията (йоните) не придобиват значителна енергия, тъй като температурата по време на този процес може да не надвишава няколко десетки градуса по Целзий. При такива условия леките електрони, откъсвайки се от основния атом, се движат много по-бързо от по-инертните частици.

Такава студена плазма се нарича неравновесна. Освен в плазмените телевизори и неоновите лампи, намира приложение и при пречистване на вода и храни, използва се и за дезинфекция за медицински цели. В допълнение, студената плазма може да помогне за ускоряване на химичните реакции.

Принципи на използване

Отличен пример за това как изкуствено създадената плазма се използва в полза на човечеството е производството на плазмени монитори. Клетките на такъв екран са надарени със способността да излъчват светлина. Панелът е вид „сандвич“ от стъклени листове, разположени близо един до друг. Между тях са поставени кутии със смес от инертни газове. Те могат да бъдат неонови, ксенонови, аргонови. А син, зелен и червен фосфор се нанасят върху вътрешната повърхност на клетките.

Извън клетките са свързани проводими електроди, между които се създава напрежение. В резултат на това има електрическо полеи, като следствие, газовите молекули се йонизират. Получената плазма излъчва ултравиолетови лъчи, които се абсорбират от фосфора. С оглед на това, явлението флуоресценция възниква чрез излъчените фотони. Поради сложна връзкалъчи в пространството се появява ярко изображение с голямо разнообразие от нюанси.

Плазмени ужаси

Тази форма на материя придобива смъртоносен вид по време на ядрена експлозия. По време на този неконтролиран процес с освобождаването се образува плазма в големи обеми огромно количество различни видовеенергия. в резултат на активирането на детонатора, той избухва и загрява околния въздух до гигантски температури в първите секунди. На това място смъртоносен огнено кълбо, расте с впечатляваща скорост. Видимата площ на ярката сфера се увеличава от йонизиран въздух. Съсиреци, облаци и струи от експлозивна плазма образуват ударна вълна.

Първоначално светещата топка, напредвайки, моментално поглъща всичко по пътя си. В прах се превръщат не само човешките кости и тъкани, но и твърдите скали и дори най-издръжливите изкуствени конструкции и предмети се унищожават. Блиндираните врати към безопасни убежища не ви спасяват; танковете и другата военна техника са смачкани.

Плазмата по своите свойства прилича на газ, тъй като няма определена форма и обем, в резултат на което е способна да се разширява неограничено. Поради тази причина много физици изразяват мнение, че не трябва да се разглежда като отделно агрегатно състояние. Въпреки това, значителните му разлики от просто горещ газ са очевидни. Те включват: способността за провеждане на електрически ток и излагане на магнитни полета, нестабилност и способността на съставните частици да имат различни скорости и температури, докато колективно взаимодействат една с друга.