Що таке четвертий стан речовини, чим воно відрізняється від трьох інших і як змусити його служити людині.

Припущення про існування першого з станів речовини, що виходять за рамки класичної тріади, було висловлено на початку ХIХ століття, а в 1920-х воно отримало свою назву - плазма

Півтори сотні років тому майже всі хіміки і багато фізиків вважали, що матерія складається лише з атомів і молекул, які об'єднуються в більш-менш впорядковані або ж зовсім невпорядковані комбінації. Мало хто сумнівався, що все або майже все речовини здатні існувати в трьох різних фазах - твердої, рідкої і газоподібної, які вони приймають в залежності від зовнішніх умов. Але гіпотези про можливість інших станів речовини вже висловлювалися.

Цю універсальну модель підтверджували і наукові спостереження, і тисячоліття досвіду повсякденного життя. Зрештою, кожен знає, що вода при охолодженні перетворюється на лід, а при нагріванні закипає і випаровується. Свинець і залізо теж можна перевести і в рідину, і в газ, їх треба лише нагріти сильніше. З кінця XVIII століття дослідники заморожували гази в рідини, і виглядало цілком правдоподібним, що будь-який скраплений газ в принципі можна змусити затвердіти. Загалом, проста і зрозуміла картина трьох станів речовини начебто не вимагала ні поправок, ні доповнень.


У 70 км від Марселя, в Сен-Поль-ле-Дюранс, по сусідству з французьким дослідницьким центром атомної енергії Кадараш, буде побудований дослідний термоядерний реактор ITER (від лат. Iter - шлях). Основна офіційна завдання цього реактора - «продемонструвати наукову і технологічну можливість отримання енергії термоядерного синтезу для мирних цілей». У довготривалій перспективі (30-35 років) на основі даних, отриманих під час експериментів на реакторі ITER, можуть бути створені прототипи безпечних, екологічно чистих і економічно прибуткових електростанцій.

Вчені того часу чимало здивувалися б, дізнавшись, що тверде, рідке і газоподібне стану атомно-молекулярного речовини зберігаються лише при відносно низьких температурах, що не перевищують 10 000 °, так і в цій зоні не вичерпують всіх можливих структур (приклад - рідкі кристали). Нелегко було б і повірити, що на їх частку доводиться не більше 0,01% від загальної маси нинішньому Всесвіті. Зараз-то ми знаємо, що матерія реалізує себе в безлічі екзотичних форм. Деякі з них (наприклад, вироджених електронний газ і нейтронне речовина) існують лише всередині надщільних космічних тіл (білих карликів і нейтронних зірок), а деякі (такі як кварк-глюонна рідина) народилися і зникли в коротку мить незабаром після Великого вибуху. Однак цікаво, що припущення про існування першого з станів, що виходять за рамки класичної тріади, було висловлено все в тому ж ХIХ столітті, причому в самому його початку. У предмет наукового дослідження воно перетворилося значно пізніше, в 1920-х. Тоді ж і отримало свою назву - плазма.

Від Фарадея до Ленгмюра

У другій половині 70-х років XIX століття член Лондонського королівського товариства Вільям Крукс, вельми успішний метеоролог і хімік (він відкрив талій і надзвичайно точно визначив його атомна вага), зацікавився газовими розрядами у вакуумних трубках. На той час було відомо, що негативний електрод випускає еманацію невідомої природи, яку німецький фізик Ойген Голдштейн в 1876 році назвав катодними променями. Після безлічі дослідів Крукс вирішив, що ці промені є не що інше, як частки газу, які після зіткнення з катодом придбали негативний заряд і стали рухатися в напрямку анода. Ці заряджені частинки він назвав «променистою матерією», radiant matter.


Токамак - установка тороидальной форми для утримання плазми за допомогою магнітного поля. Плазма, розігріта до дуже високих температур, не стосується стінок камери, а утримується магнітними полями - тороідальним, створеним котушками, і полоідальним, яке утворюється при протіканні струму в плазмі. Сама плазма виконує роль вторинної обмотки трансформатора (первинна - котушки для створення тороїдального поля), що забезпечує попередній нагрів при протіканні електричного струму.

Слід визнати, що в такому поясненні природи катодних променів Крукс ні оригінальний. Ще в 1871 році подібну гіпотезу висловив великий британський інженер-електротехнік Кромвелл Флітвуд Варлі, один з керівників робіт з прокладання першого трансатлантичного телеграфного кабелю. Однак результати експериментів з катодними променями привели Крукса до дуже гострого розуму: середа, в якій вони поширюються, - це вже не газ, а щось зовсім інше. 22 серпня 1879 на сесії Британської асоціації в підтримку науки Крукс заявив, що розряди в розріджених газах «так несхожі на все, що відбувається в повітрі або будь-якому газі при нормальному тиску, що в цьому випадку ми маємо справу з речовиною в четвертому стані, яке за властивостями відрізняється від звичайного газу в такій же мірі, що і газ від рідини ».

Нерідко пишуть, що саме Крукс першим додумався до четвертого стану речовини. Насправді ця думка набагато раніше осінила Майкла Фарадея. У 1819 році, за 60 років до Крукса, Фарадей припустив, що речовина може перебувати в твердому, рідкому, газоподібному і променистому станах, radiant state of matter. У своїй доповіді Крукс прямо сказав, що користується термінами, запозиченими у Фарадея, але нащадки про це чомусь забули. Однак фарадеевского ідея була все-таки умоглядною гіпотезою, а Крукс обґрунтував її експериментальними даними.

Катодні промені інтенсивно вивчали і після Крукса. У 1895 році ці експерименти привели Вільяма Рентген до відкриття нового виду електромагнітного випромінювання, а на початку ХХ століття обернулися винаходом перших радіоламп. Але круксовская гіпотеза четвертого стану речовини не викликала інтересу у фізиків - швидше за все тому, що в 1897 році Джозеф Джон Томсон довів, що катодні промені являють собою не заряджені атоми газу, а дуже легкі частинки, які він назвав електронами. Це відкриття, здавалося, зробило гіпотезу Крукса непотрібною.


Знімок випробувального запуску корейського токамака KSTAR (Korea Superconducting Tokamak Advanced Reactor) з отриманням «першої плазми» 15 липня 2008 р KSTAR, науково-дослідний проект з вивчення можливості термоядерного синтезу для отримання енергії, використовує 30 надпровідних магнітів, охолоджуваних рідким гелієм.

Однак вона відродилася, як фенікс із попелу. У другій половині 1920-х майбутній нобелівський лауреат з хімії Ірвінг Ленгмюр, який працював в лабораторії корпорації General Electric, впритул зайнявся дослідженням газових розрядів. Тоді вже знали, що в просторі між анодом і катодом атоми газу втрачають електрони і перетворюються в позитивно заряджені іони. Усвідомивши, що подібний газ має безліч особливих властивостей, Ленгмюр вирішив наділити його власним ім'ям. З якоїсь дивної асоціації він вибрав слово «плазма», яке до цього використовували лише в мінералогії (це ще одна назва зеленого халцедону) і в біології (рідка основа крові, а також молочна сироватка). У своїй новій якості термін «плазма» вперше з'явився в статті Ленгмюра «Коливання в іонізованих газах», опублікованій в 1928 році. Років тридцять цим терміном мало хто користувався, але потім він міцно увійшов в науковий обіг.

фізика плазми

Класична плазма - це іонно-електронний газ, можливо, розбавлений нейтральними частинками (строго кажучи, там завжди присутні фотони, але при помірних температурах їх можна не враховувати). Якщо ступінь іонізації не дуже мала (як правило, цілком достатньо одного відсотка), цей газ демонструє безліч специфічних якостей, якими не володіють звичайні гази. Втім, можна виготовити плазму, в якій вільних електронів не буде зовсім, а їх обов'язки візьмуть на себе негативні іони.


Для простоти розглянемо лише електронно-іонну плазму. Її частинки притягуються або відштовхуються відповідно до закону Кулона, причому ця взаємодія проявляється на великих відстанях. Саме цим вони відрізняються від атомів і молекул нейтрального газу, які відчувають один одного лише на дуже малих дистанціях. Оскільки плазмові частки перебувають у вільному польоті, вони легко зміщуються під дією електричних сил. Для того щоб плазма перебувала в стані рівноваги, необхідно, щоб просторові заряди електронів та іонів повністю компенсували один одного. Якщо ця умова не виконується, в плазмі виникають електричні струми, які відновлюють рівновагу (наприклад, якщо в якійсь області утворюється надлишок позитивних іонів, туди миттєво кинуться електрони). Тому в рівноважної плазмі щільності частинок різних знаків практично однакові. Це найважливіша властивість називається квазінейтральності.

Практично завжди атоми або молекули звичайного газу беруть участь тільки в парних взаємодіях - стикаються один з одним і розлітаються в сторони. Інша річ плазма. Оскільки її частинки пов'язані дальнодействующими кулоновскими силами, кожна з них знаходиться в полі ближніх і далеких сусідів. Це означає, що взаємодія між частинками плазми трохи парне, а множинне - як кажуть фізики, колективне. Звідси випливає стандартне визначення плазми - квазінейтральності система великого числа різнойменних заряджених частинок, що демонструють колективну поведінку.


Потужні прискорювачі електронів мають характерну довжину в сотні метрів і навіть кілометри. Їх розміри можна значно зменшити, якщо прискорювати електрони не в вакуумі, а в плазмі - «на гребені» швидко поширюються збурень густини плазмових зарядів, так званих кільватерних хвиль, порушуваних за допомогою імпульсів лазерного випромінювання.

Плазма відрізняється від нейтрального газу і реакцією на зовнішні електричні і магнітні поля (звичайний газ їх практично не помічає). Частинки плазми, навпаки, відчувають як завгодно слабкі поля і негайно починають рухатися, породжуючи об'ємні заряди і електричні струми. Ще одна найважливіша особливість рівноважної плазми - Зарядове екранування. Візьмемо частку плазми, скажімо, позитивний іон. Він притягує електрони, які формують хмара негативного заряду. Поле такого іона поводиться відповідно до закону Кулона лише в його околиці, а на відстанях, що перевищують певну критичну величину, дуже швидко наближається до нуля. Цей параметр називається дебаєвсьного радіусом екранування - на честь голландського фізика Пітера Дебая, який описав цей механізм в 1923 році.

Легко зрозуміти, що плазма зберігає квазінейтральность, лише якщо її лінійні розміри по всіх вимірах сильно перевищують дебаевский радіус. Варто зазначити, що цей параметр зростає при нагріванні плазми і падає в міру збільшення її щільності. У плазмі газових розрядів по порядку величини він дорівнює 0,1 мм, в земній іоносфері - 1 мм, в сонячному ядрі - 0,01 нм.

керований термоядерний синтез

В наші дні плазма використовується дуже багато технологій. Одні з них відомі кожному (газосветние лампи, плазмові дисплеї), інші представляють інтерес для вузьких фахівців (виробництво надміцних захисних плівкових покриттів, виготовлення мікрочіпів, дезінфекція). Однак найбільші надії на плазму покладають в зв'язку з роботами по здійсненню керованих термоядерних реакцій. Це і зрозуміло. Щоб ядра водню злилися в ядра гелію, їх треба зблизити на відстань близько однієї стомільярдну частки сантиметра - а там уже запрацюють ядерні сили. Таке зближення можливе лише при температурах в десятки і сотні мільйонів градусів - в цьому випадку кінетичної енергії позитивно заряджених ядер вистачить для подолання електростатичного відштовхування. Тому для керованого термоядерного синтезу необхідна високотемпературна воднева плазма.


Плазма в навколишньому світі майже всюдисуща - її можна знайти не тільки в газових розрядах, а й в іоносфері планет, в поверхневих і глибинних шарах активних зірок. Це і середовище для здійснення керованих термоядерних реакцій, і робоче тіло для космічних електрореактивних двигунів, і багато, багато іншого.

Правда, плазма на основі звичайного водню тут не допоможе. Такі реакції відбуваються в надрах зірок, але для земної енергетики вони не приносять користі, оскільки занадто мала інтенсивність енерговиділення. Найкраще використовувати плазму з суміші важких ізотопів водню дейтерію і тритію в пропорції 1: 1 (чисто дейтерієва плазма теж прийнятна, хоча дасть менше енергії і потребують більш високих температур для підпалу).

Однак для запуску реакції одного нагріву замало. По-перше, плазма повинна бути досить щільною; по-друге, що потрапили в зону реакції частки не повинні залишати її занадто швидко - інакше втрата енергії перевищить її виділення. Ці вимоги можна представити у вигляді критерію, який в 1955 році запропонував англійський фізик Джон Лоусон. Відповідно до цієї формули твір щільності плазми на середній час утримання часток має бути вище деякої величини, яка визначається температурою, складом термоядерного палива і очікуваним коефіцієнтом корисної дії реактора.


Легко побачити, що існують два шляхи виконання критерію Лоусона. Можна скоротити час утримання до наносекунд за рахунок стиснення плазми, скажімо, до 100-200 г / см3 (оскільки плазма при цьому не встигає розлетітися, цей метод утримання називають інерційним). Фізики відпрацьовують цю стратегію з середини 1960-х років; Зараз її найбільш досконалою версією займається Ливерморская національна лабораторія. Цього року там почнуть експерименти по компресії мініатюрних капсул з берилію (діаметр 1,8 мм), заповнених дейтериево-тритиевой сумішшю, за допомогою 192 ультрафіолетових лазерних пучків. Керівники проекту вважають, що ні пізніше 2012 року ці фірми зможуть не тільки підпалити термоядерну реакцію, а й отримати позитивний вихід енергії. Можливо, аналогічна програма в рамках проекту HiPER (High Power Laser Energy Research) в найближчі роки буде запущена і в Європі. Однак навіть якщо експерименти в Ліверморі повністю виправдають покладені на них очікування, дистанція до створення справжнього термоядерного реактора з інерційним утриманням плазми все одно залишиться дуже великий. Справа в тому, що для створення прототипу електростанції необхідна дуже скорострільна система надпотужних лазерів. Вона повинна забезпечити таку частоту спалахів, запалюють дейтериево-тритієві мішені, яка в тисячі разів перевищить можливості Ліверморської системи, що робить не більше 5-10 пострілів в секунду. Зараз активно обговорюються різні можливості створення таких лазерних гармат, але до їх практичної реалізації ще дуже далеко.

Токамаки: стара гвардія

Альтернативно можна працювати з розрідженій плазмою (щільністю в нанограми на кубічний сантиметр), утримуючи її в зоні реакції не менше декількох секунд. У таких експериментах ось уже понад півстоліття застосовують різні магнітні пастки, які утримують плазму в заданому обсязі за рахунок накладення декількох магнітних полів. Найперспективнішими вважають токамаки - замкнуті магнітні пастки в формі тора, вперше запропоновані А.Д.Сахарову і І.Є. Таммом в 1950 році. В даний час в різних країнах працює з дюжину таких установок, найбільші з яких дозволили наблизитися до виконання критерію Лоусона. Міжнародний експериментальний термоядерний реактор, знаменитий ITER, який побудують в селищі Кадараш неподалік від французького міста Екс-ан-Прованс, - теж токамак. Якщо все піде за планом, ITER дозволить вперше отримати плазму, що задовольняє лоусоновскому критерієм, і підпалити в ній термоядерну реакцію.


«За останні два десятки років ми домоглися величезного прогресу в розумінні процесів, які відбуваються всередині магнітних плазмових пасток, зокрема - токамаков. В цілому ми вже знаємо, як рухаються частинки плазми, як виникають нестійкі стану плазмових потоків і до якої міри збільшувати тиск плазми, щоб її все-таки можна було утримати магнітним полем. Були також створені нові високоточні методи плазмової діагностики, тобто вимірювання різних параметрів плазми, - розповів «ПМ» професор ядерної фізики і ядерних технологій Массачусетського технологічного інституту Йен Хатчінсон, який понад 30 років займається токамака. - До теперішнього часу в найбільших токамаках досягнуті потужності виділення теплової енергії в дейтериево-тритиевой плазмі близько 10 мегават протягом однієї-двох секунд. ITER перевершить ці показники на пару порядків. Якщо ми не помиляємося в розрахунках, він зможе видавати не менше 500 мегават протягом декількох хвилин. Якщо вже зовсім пощастить, енергія буде генеруватися взагалі без обмеження часу, в стабільному режимі ».

Професор Хатчінсон також підкреслив, що вчені зараз добре розуміють характер процесів, які мають відбуватися всередині цього величезного токамака: «Ми навіть знаємо умови, при яких плазма пригнічує свої власні турбулентності, а це дуже важливо для управління роботою реактора. Звичайно, необхідно вирішити безліч технічних завдань - зокрема, завершити розробку матеріалів для внутрішнього облицювання камери, здатних витримати інтенсивну нейтронну бомбардування. Але з точки зору фізики плазми картина досить ясна - у всякому разі ми так вважаємо. ITER повинен підтвердити, що ми не помиляємося. Якщо все так і буде, настане черга і токамака наступного покоління, який стане прототипом промислових термоядерних реакторів. Але зараз про це говорити ще рано. А поки ми розраховуємо, що ITER почне працювати в кінці цього десятиліття. Швидше за все, він зможе генерувати гарячу плазму ніяк не раніше 2018 року - у всякому разі за нашими очікуваннями ». Так що з точки зору науки і техніки у проекту ITER непогані перспективи.

Міністерство освіти і науки Російської Федерації

Федеральне агентство з освіти

Тихоокеанський державний економічний університет

Кафедра фізики

Тема: Плазма - четвертий стан речовини

виконала:

Агрегатний стан - стан речовини, що характеризується певними якісними властивостями: здатністю або нездатністю зберігати обсяг і форму, наявністю або відсутністю далекого і ближнього порядку і іншими. Зміна агрегатного стану може супроводжуватися стрибкоподібним зміною вільної енергії, ентропії, густини і інших основних фізичних властивостей.

Відомо, що будь-яка речовина може існувати тільки в одному з трьох станів: твердому, рідкому або газоподібному, класичним прикладом чого є вода, яка може бути у вигляді льоду, рідини і пара. Однак речовин, які перебувають в цих вважаються безперечними і загальнопоширеними станах, якщо брати весь Всесвіт в цілому, дуже мало. Вони навряд чи перевищують те, що в хімії вважається мізерно малими слідами. Все інше речовина Всесвіту перебуває в так званому плазмовому стані.

Словом «плазма» (від грец. «Плазма» - «оформлене») в середині XIX

в. стали іменувати безбарвну частина крові (без червоних і білих тілець) і

рідина, що наповнює живі клітини. У 1929 р американські фізики Ірвінг Лёнгмюр (1881-1957) і Леві Тонко (1897-1971) назвали плазмою іонізований газ в газорозрядної трубці.

Англійський фізик Вільям Крукс (1832-1919), який вивчав електричний

розряд в трубках з розрідженим повітрям, писав: «Явища в відкачаних

трубках відкривають для фізичної науки новий світ, в якому матерія може існувати в четвертому стані ».

Залежно від температури будь-яка речовина змінює своє

стан. Так, вода при негативних (за Цельсієм) температурах знаходиться в твердому стані, в інтервалі від 0 до 100 "С - в рідкому, вище 100 ° С-в газоподібному. Якщо температура продовжує рости, атоми і молекули починають втрачати свої електрони - іонізуются і газ перетворюється в плазму. При температурах понад 1000000 ° С плазма абсолютно ионизована - вона складається тільки з електронів і позитивних іонів. плазма - найбільш поширене стан речовини в природі, на неї припадає близько 99% маси Всесвіту. Сонце, більшість зірок, туманності - це повністю ионизованного плазма. Зовнішня частина земної атмосфери (іоносфера) теж плазма.

Ще вище розташовуються радіаційні пояси, що містять плазму.

Полярні сяйва, блискавки, в тому числі кульові, - все це різні види плазми, спостерігати які можна в природних умовах на Землі. І лише незначну частину Всесвіту становить речовина в твердому стані - планети, астероїди і пилові туманності.

Під плазмою у фізиці розуміють газ, що складається з електрично

заряджених і нейтральних частинок, в якому сумарний електричний заряд дорівнює нулю, т. з. виконано умоваквазінейтральності (тому, наприклад, пучок електронів, що летять у вакуумі, що не плазма: він несе негативний заряд).

1.1. Найбільш типові форми плазми

Найбільш типові форми плазми

Штучно створена плазма Плазмова панель (телевізор, монітор) Речовина всередині люмінесцентних (в т. Ч. Компактних) і неонових ламп Плазмові ракетні двигуни Газорозрядна корона озонового генератора Дослідження керованого термоядерного синтезу Електрична дуга в дугового лампі і в дугового зварювання плазмова лампа (див. Малюнок) дугового розряду від трансформатора Тесли Вплив на речовина лазерним випромінюванням, що світиться сфера ядерного вибуху

Земна природна плазма Блискавка Вогні святого Ельма Іоносфера Язики полум'я (низькотемпературна плазма)

Космічна і астрофізична плазма Сонце і інші зірки (ті, які існують за рахунок термоядерних реакцій) Сонячний вітер Космічний простір (простір між планетами, зірками ігалактікамі) Міжзоряні туманності

Властивості і параметри плазми

Плазма має такі властивості:

Достатня щільність: заряджені частинки повинні знаходитися досить близько один до одного, щоб кожна з них взаємодіяла з цілою системою близько розташованих заряджених частинок. Умова вважається виконаним, якщо число заряджених частинок в сфері впливу (сфера радіусом Дебая) досить для виникнення колективних ефектів (подібні прояви - типове властивість плазми). Математично ця умова можна висловити так:

, Де - концентрація заряджених частинок.

Пріоритет внутрішніх взаємодій: радіус дебаєвсьного екранування повинен бути малий у порівнянні з характерним розміром плазми. Цей критерій означає, що взаємодії, що відбуваються всередині плазми більш значні в порівнянні з ефектами на її поверхні, якими можна знехтувати. Якщо ця умова дотримана, плазму можна вважати квазинейтральной. Математично воно виглядає так:

Плазмова частота: середній час між зіткненнями частинок має бути велике в порівнянні з періодом плазмових коливань. Ці коливання викликаються дією на заряд електричного поля, що виникає через порушення квазінейтральності плазми. Це поле прагне відновити порушену рівновагу. Повертаючись в положення рівноваги, заряд проходить по інерції це положення, що знову призводить до появи сильного повертає поля, виникають типові механічні коливання. Коли ця умова дотримана, електродинамічні властивості плазми переважають над молекулярно-кінетичними. Мовою математики ця умова має вигляд:

2.1. Класифікація

Плазма зазвичай поділяється на ідеальну і неідеальну, низькотемпературну і високотемпературну, рівноважну і нерівноважну, при цьому досить часто холодна плазма буває нерівноважної, а гаряча рівноважною.

2.2. температура

При читанні науково-популярної літератури читач часто бачить значення температури плазми порядку десятків, сотень тисяч або навіть мільйонів ° С або К. Для опису плазми у фізиці зручно вимірювати температуру не в ° С, а в одиницях виміру характерною енергії руху частинок, наприклад, в електрон-вольтах (еВ). Для перекладу температури в еВ можна скористатися наступним співвідношенням: 1 еВ \u003d 11600 K (Кельвін). Таким чином стає зрозуміло, що температура в «десятки тисяч ° С» досить легко досяжна.

У нерівноважної плазмі електронна температура істотно перевищує температуру іонів. Це відбувається через відмінності в масах іона і електрона, яке ускладнює процес обміну енергією. Така ситуація зустрічається в газових розрядах, коли іони мають температуру близько сотень, а електрони близько десятків тисяч K.

У рівноважної плазмі обидві температури рівні. Оскільки для здійснення процесу іонізації необхідні температури, які можна порівняти з потенціалом іонізації, рівноважна плазма зазвичай є гарячою (з температурою більше кількох тисяч K).

Поняття високотемпературна плазма вживається зазвичай для плазми термоядерного синтезу, який вимагає температур в мільйони K.

2.3. ступінь іонізації

Для того, щоб газ перейшов в стан плазми, його необхідно іонізувати. Ступінь іонізації пропорційна числу атомів, які віддали або поглинули електрони, і найбільше залежить оттемператури. Навіть слабо іонізований газ, в якому менше 1% часток знаходяться в іонізованому стані, може проявляти деякі типові властивості плазми (взаємодія з внешнімелектромагнітним полем і висока електропровідність). Ступінь іонізації α обирається як α \u003d ni / (ni + na), де ni - концентрація іонів, а na - концентрація нейтральних атомів. Концентрація вільних електронів в незарядженою плазмі ne визначається очевидним співвідношенням: ne \u003d ni, де - середнє значення заряду іонів плазми.

Для низькотемпературної плазми характерна мала ступінь іонізації (до 1%). Так як такі плазми досить часто вживаються в технологічних процесах, їх іноді називають технологічними плазмами. Найчастіше їх створюють за допомогою електричних полів, які прискорюють електрони, які в свою чергу іонізують атоми. Електричні поля вводяться в газ за допомогою індуктивного або ємнісного зв'язку (див. Індуктивно-пов'язана плазма). Типові застосування низькотемпературної плазми включають плазмову модифікацію властивостей поверхні (алмазні плівки, нітрідірованіе металів, зміна змочуваності), полум'яне травлення поверхонь (напівпровідникова промисловість), очищення газів і рідин (озонування води і спалювання частинок сажі в дизельних двигунах).

Що таке плазма - незвичний газ

З дитинства ми знаємо кілька агрегатних станів речовин. Візьмемо до прикладу воду. Її звичайний стан відомо усім - рідина, вона поширена повсюдно: річки, озера, моря, океани. Друге агрегатний стан - газ. Його ми бачимо не часто. Найлегший спосіб досягти газоподібного стану у води - закип'ятити її. Пар - є ніщо інше, як газоподібний стан води. Третє агрегатний стан - тверде тіло. Подібний випадок ми можемо спостерігати, наприклад в зимові місяці. Лід - завмерла вода, і є третя агрегатний стан.
Даний приклад наочно показує що практично будь-яка речовина має три агрегатних стани. У одних його досягти легко, у інших складніше (потрібні особливі умови).

Але сучасна фізика виділяє ще одне, незалежне стан речовини - плазма.

Плазма - це іонізований газ з однаковою щільністю як позитивних так і негативних зарядів. Як відомо, при сильному нагріванні будь-яка речовина переходить у третю агрегатний стан - газ. Якщо продовжувати розігрівати отримане газоподібна речовина, то на виході отримаємо речовина з різко збільшеним процесом термічної іонізації, складові газ атоми розпадаються утворюючи іони. Даний стан можна спостерігати неозброєним оком. Наше Сонце - зірка, як і мільйони інших зірок і галактик у Всесвіті є ніщо інше як високотемпературна плазма. На жаль на Землі, в природних умовах плазма не існує. Але спостерігати ми її все ж можемо, наприклад спалах блискавки. У лабораторних умовах плазму вперше вдалося отримати в результаті пропускання через газ високої напруги. Сьогодні багато хто з нас користуються плазмою в побуті - це звичайні газорозрядні лампи денного світла. На вулицях часто-густо спостерігається неонова реклама, яка є ніщо інше як низькотемпературна плазма в скляних трубках.

Для того, що б з газоподібного стану перейти до плазми, газ необхідно іонізувати. Від числа атомів залежить безпосередньо і ступінь іонізації. Ще однією умовою є температура.

До 1879 року фізика описувала і керувалася лише трьома агрегатними станами речовин. Поки англійський учений, хімік і фізик, - Вільям Крукс не почала проводити досліди з дослідження провідності електрики в газах. До його відкриттям зараховують відкриття елемента Талія, отримання Гелія в лабораторних умовах і, звичайно, перші досліди з отриманням холодної плазми в газорозрядних трубках. Звичний нам термін "плазма" був застосований вперше в 1923 році американським вченим Ленгмюром, а пізніше і Тонксоном. До цього часу "плазмою" позначали лише безбарвну складову крові або молока.

Сьогоднішні дослідження показують, всупереч поширеній думці, в стані плазми знаходиться близько 99% всього речовини у Всесвіті. Всі зірки, все міжзоряний простір, галактики, туманності, сонячний віяло - типові представники плазми.
На землі ми можемо спостерігати такі природні явища як блискавка, північне сяйво, "вогні святого Ельма", іоносфера Землі і, звичайно, вогонь.
Людина так само навчився застосовувати плазму собі на благо. Завдяки четвертому агрегатному стані речовини ми можемо користуватися газорозрядними лампами, плазмовими телевізорами, дугового електрозварювання, лазерами. Так само, явища плазми ми можемо спостерігати при ядерному вибуху або запуску космічних ракет.

Одним з пріоритетних досліджень в напрямку плазми можна вважати реакцію термоядерного синтезу, який повинен стати безпечною заміною атомної енергетики.

За класифікацією плазму ділять на низькотемпературну і високотемпературну, рівноважну і нерівноважну, ідеальну і неідеальну.
Низькотемпературна плазма характеризується малої ступенем іонізації (близько 1%) і температурою до 100 тисяч градусів. Саме з цього плазму такого роду часто використовують в різних технологічних процесах (нанесення алмазної плівки на поверхню, зміна змочуваності речовини, озонування води і т.д.).

Високотемпературна або "гаряча" плазма володіє практично 100% іонізацією (саме такий стан і мають на увазі під четвертим агрегатним станом) і температурою до 100 мільйонів градусів. У природі - це зірки. У земних умовах саме високотемпературна плазма використовується для дослідів термоядерного синтезу. Контрольована реакція досить складна і енергозатратна, а ось неконтрольована досить зарекомендувала себе як зброю колосальної потужності - термоядерна бомба, випробувана СРСР 12 серпня 1953 року.
Але це крайнощі. Холодна плазма досить міцно зайняла своє місце в побут людини, про корисний контрольованому термоядерному синтезі залишається поки мріяти, зброя насправді не може бути застосовано.

Але в побуті плазма не завжди однаково корисна. Іноді існують ситуації при яких слід уникати розрядів плазми. Наприклад при будь-яких комутаційних процесах ми спостерігаємо плазмову дугу між контактами, яку терміново необхідно гасити.

При високих т-рах, під дією електромагнітного. полів великої напруженості, при опроміненні потоками заряджених частинок високої енергії. Характерна особливість плазми, що відрізняє її від звичайного іонізованого, полягає в тому, що лінійні розміри обсягу, займаного плазмою, багато більше т. Зв. дебаєвсьного радіусу екранування D (див.). Значення D для i-го з H i і т-рій T i визначається виразом:

де n е і Т е - і т-ра соотв., е i -заряд, е-елементарний електричні. заряд (заряд), k-. З цього виразу випливає, що в плазмі, як правило, т-ри і розрізняються.

У низькотемпературній плазмі середня енергія або значно менше ефективної енергії іонізації частинок; високотемпературної вважається плазма, яка характеризується зворотним співвідношенням зазначених енергій (враховується внесок в іонізацію разл. частинок). Зазвичай низькотемпературна плазма має т-ру частинок менше 10 5 Я на, високотемпературна-порядку 10 -10 8 К. Ставлення заряджених частинок до сумарної всіх частинок наз. ступенем іонізації плазми.

П лазма, що отримується в лаб. умовах, є в термодинамич. сенсі і завжди термодинамічно нерівноважних. енергії та маси призводять до порушення локального термодинамич. і стаціонарності (див.), закон Планка для поля випромінювання, як правило, не виконується. Плазма зв. термічної, якщо її стан описується в рамках моделі локального тримаючи. , А саме: всі частинки розподілені за швидкостями відповідно до закону Максвелла; т-ри всіх компонент однакові; склад плазма визначається, зокрема іонний склад обумовлений між іонізацією і (ф-ла Еггерта-Саха по суті є вираженням для цих процесів); заселеності енергетичних. рівнів всіх частинок підкоряються розподілу Больцмана. Термічна плазма характеризується зазвичай високим ступенем іонізації і м. Б. реалізована в з відносно малою ефективною енергією іонізації при досить високій оптич. щільності (тобто випромінювання плазми майже цілком поглинається її власної. частинками). Зазвичай плазма описується моделлю часткового локального тримаючи. , К-раю включає всі вишеперечісл. положення, але вимагає підпорядкування закону Больцмана заселенностей лише порушених рівнів частинок плазми, виключаючи їх основні стану. Таку плазму зв. квазірівноважної; приклад квазірівноважної плазми-стовп електричні. дуги при атм. .

Недотримання хоча б однієї з умов локального тримаючи. призводить до виникнення не рівноважної плазми. Очевидно, існує безліч нерівноважних станів плазми. Прикладом сильно нерівноважної плазми є плазма тліючого розряду в при 10 1 -10 3 Па, в якій середня енергія становить 3-6 еВ, а т-ра важких частинок не перевищує зазвичай тисячу К. Існування і стаціонарність такого нерівноважногостану плазми обумовлені утрудненістю обміну енергією між і важкими частинками. У плазмі мовляв. , Крім цього, може мати місце неефективнийобмін енергією між разл. внутр. ступенями свободи: електронної, коливальної, обертальної. У межах кожної з ступенів свободи обмін енергією відбувається відносно легко, що призводить до встановлення квазірівноважних розподілів частинок за відповідними енергетичних. станів. У цьому випадку говорять про електронну, колебат., Вращат. т-рах частинок плазми.

Осн. особливості плазми, що відрізняють її від нейтрального і дозволяють розглядати плазму як особливе, четвертий стан матерії (четверте в-ва), полягають у наступному.

1) Колективне взаємодій., Тобто одночасне взаємодій. один з одним великого числа частинок (в звичайних при нормальних умовах взаємодій. між частинками, як правило, парне), обумовлено тим, що кулонівських сили тяжіння і відштовхування зменшуються з відстанню набагато повільніше, ніж сили взаємодій. нейтральних частинок, тобто взаємодій. в плазмі є "дальнодействующими".

2) Сильний вплив елект. і магн. полів на св-ва плазми, до-рої призводить до появи в плазмі просторів. зарядів і струмів і обумовлює цілий ряд специфічних. св-в плазми.

Одне з найважливіших св-в плазми-її квазінейтральность, тобто майже повна взаємна компенсація зарядів на відстанях, значно більших дебаєвсьного радіусу екранування. Елект. поле окремої зарядженої частинки в плазмі екранується полями частинок із зарядом протилежного знака, тобто практично знижується до нуля на відстанях порядку дебаєвсьного радіусу від частки. Будь-яке порушення квазінейтральності в обсязі, займаному плазмою, призводить до появи сильних електричні. полів просторів. зарядів, які відновлюють квазінейтральность плазми.

У стані плазми знаходиться переважна частина в-ва Всесвіту - зірки, зоряні, галактичного. туманності і міжзоряне середовище. Біля Землі плазма існує в космосі у вигляді "сонячного вітру", заповнює магнітосферу Землі (утворюючи радиац. Пояса Землі) і іоносферу. Процесами в навколоземній плазмі обумовлені магн. бурі і полярні сяйва. Відображення радіохвиль від іоносферної плазми забезпечує можливість далекого радіозв'язку на Землі.

У лаб. умовах і при пром. застосуваннях плазму отримують за допомогою елект. розряду в

Одне і теж речовина в природі має можливість кардинальним чином варіювати свої властивості в залежності від показників температури і тиску. Чудовим прикладом цього може служити вода, яка існує у вигляді твердого льоду, рідини і пара. Це три агрегатних стану даної субстанції, що має хімічну формулу Н2О Інші речовини в природних умовах здатні міняти свої характеристики аналогічним чином. Але крім перерахованих, в природі існує і інший агрегатний стан - плазма. Це досить рідкісна в земних умовах наділена особливими якостями.

молекулярну будову

Від чого залежать 4 стану речовини, в якому перебуває матерія? Від взаємодії елементів атома і самих молекул, наділених властивостями взаємного відштовхування і тяжіння. Зазначені сили самокомпенсіруются в твердому стані, де атоми розташовуються геометрично правильно, утворюючи кристалічну решітку. При цьому матеріальний об'єкт здатний зберігати обидві згадані вище якісні характеристики: обсяг і форму.

Але варто кінетичної енергії молекул збільшиться, хаотично рухаючись, вони руйнують встановлений порядок, перетворюючись в рідини. Вони володіють плинністю і характеризуються відсутністю геометричних параметрів. Але при цьому дана субстанція зберігає свою здатність не змінювати загальний обсяг. У газоподібному стані взаємне притягання між молекулами повністю відсутня, тому газ не має форми і має можливість необмеженого розширення. Але концентрація речовини при цьому значно падає. Самі молекули в звичайних умовах не змінюються. У цьому полягає основна особливість перших 3 з 4 станів речовини.

трансформація станів

Процес перетворення твердого тіла в інші форми можливо здійснити, поступово збільшуючи температуру і варіюючи показники тиску. При цьому переходи будуть відбуватися стрибкоподібно: відстань між молекулами помітно збільшиться, зруйнуються міжмолекулярні зв'язку зі зміною щільності, ентропії, кількості вільної енергії. Ймовірна також трансформація твердого тіла відразу в газоподібну форму, минаючи проміжні етапи. Вона носить назву сублімації. Подібний процес цілком можливий в звичайних земних умовах.

Але коли показники температури і тиску досягають критичного рівня, утворюється Внутрішня енергія речовини настільки збільшується, що електрони, рухаючись з шаленою швидкістю, залишають свої внутріатомні орбіти. При цьому утворюються позитивні і негативні частинки, але щільність їх в вийшла структурі залишається практично однаковою. Таким чином виникає плазма - агрегатний стан речовини, що представляє, по суті, газ, повністю або частково іонізований, елементи якого наділені здатністю на великих відстанях взаємодіяти між собою.

Високотемпературна плазма космосу

Плазма, як правило, субстанція нейтральна, хоча і складається з заряджених частинок, тому що позитивні і негативні елементи в ній, будучи приблизно рівними за кількістю, компенсують один одного. Це агрегатний стан в звичайних земних умовах зустрічається рідше інших, згаданих раніше. Але незважаючи на це, більшість космічних тіл складається саме з природного плазми.

Прикладом тому можуть служити Сонце і інші численні зірки Всесвіту. Там показники температури фантастичний високі. Адже на поверхні головного світила нашої планетарної системи вони сягають 5 500 ° С. Це більш ніж в півсотні разів перевищує ті параметри, які необхідні для того, щоб закипіла вода. У центрі ж вогнедишного кулі температура становить 15 000 000 ° С. Не дивно, що гази (в основному це водень) там ионизируются, досягаючи агрегатного стану плазми.

Низькотемпературна плазма в природі

Міжзоряне середу, що заповнює галактичний простір, також складається з плазми. Але вона відрізняється від високотемпературної її різновиди, описаної раніше. Подібна субстанція складається з іонізованого речовини, що виникає внаслідок випромінювання, що випускається зірками. Це низькотемпературна плазма. Таким же чином сонячні промені, досягаючи меж Землі, створюють іоносферу і знаходиться над нею радіаційний пояс, що складається з плазми. Відмінності лише в складі речовини. Хоча в подібному стані можуть перебувати всі елементи, представлені в таблиці Менделєєва.

Плазма в умовах лабораторії і її застосування

Відповідно до законів легко виходить в звичних для нас умовах. При проведення лабораторних дослідів досить конденсатора, діода і опору, підключених послідовно. Подібна ланцюг на секунду під'єднується до джерела струму. І якщо доторкнутися проводами до металевої поверхні, то частинки її самої, а також розташовані поблизу молекули парів і повітря іонізуються і виявляються в агрегатному стані плазми. Аналогічні властивості матерії використовуються при створенні ксенонових і неонових екранів і зварювальних апаратів.

Плазма і природні явища

У природних умовах плазму можна спостерігати в світлі Північного сяйва і під час грози в вигляді кульової блискавки. Пояснення деяких природних явищ, яким раніше приписувалися містичні властивості, нині дала сучасна фізика. Плазма, що утворюється і світиться на кінцях високих і гострих предметів (щоглах, вежах, величезних деревах) при особливому стані атмосфери, століття тому приймалася моряками за вісник удачі. Саме тому дане явище отримало назву «Вогні святого Ельма».

Бачачи коронний розряд у вигляді світних пензликів або пучків під час грози в шторм, мандрівники брали це за добру ознаку, розуміючи, що уникли небезпеки. Не дивно, адже підносяться над водою об'єкти, які підходять для «знаків святого», могли говорити про наближення судна до берега або пророкувати зустріч з іншими кораблями.

нерівноважна плазма

Наведені вище приклади красномовно свідчать про те, що не обов'язково нагрівати речовину до фантастичних температур, щоб домогтися стану плазми. Для іонізації досить використовувати силу електромагнітного поля. При цьому важкі складові елементи матерії (іони) не купують значну енергію, адже температура при здійсненні цього процесу цілком може не перевищувати за Цельсієм декількох десятків градусів. В таких умовах легкі електрони, відриваючись від основного атома, рухаються значно швидше більш інертних частинок.

Подібна холодна плазма називається нерівноважної. Крім плазмових телевізорів і неонових ламп, вона використовується також при очищенні води та продуктів харчування, застосовується для дезінфекції в медичних цілях. До того ж холодна плазма здатна сприяти прискоренню хімічних реакцій.

принципи використання

Прекрасним прикладом того, як застосовується на благо людства штучно створена плазма, є виготовлення плазмових моніторів. Осередки такого екрану наділені здатністю випромінювати світло. Панель являє собою якийсь «бутерброд» зі скляних листів, близько розташованих один до одного. Між ними розміщуються коробочки з сумішшю інертних газів. Ними можуть бути неон, ксенон, аргон. А на внутрішню поверхню осередків наносяться люмінофори синього, зеленого, червоного кольору.

Зовні осередків підведені струмопровідні електроди, між якими створюється напруга. В результаті цього виникає електричне поле і, як наслідок, молекули газу іонізуються. Утвориться плазма випускає ультрафіолетові промені, що поглинаються люминофорами. З огляду на це виникає явище флуоресценції за допомогою випускаються при цьому фотонів. За рахунок складної сполуки променів в просторі виникає яскраве зображення найрізноманітніших відтінків.

Плазмові жахи

Смертоносний вигляд приймає ця форма матерії під час ядерного вибуху. Плазма в великих обсягах утворюється під час перебігу даного некерованого процесу з вивільненням величезної кількості різних видів енергії. виникла в результаті запуску в дію детонатора, виривається назовні і нагріває в перші секунди до гігантських температур навколишнє повітря. На цьому місці виникає смертоносний вогненна куля, наростаючий зі значною швидкістю. Видима область яскравою сфери збільшується за рахунок іонізованого повітря. Згустки, клуби і струменя плазми вибуху формують ударну хвилю.

Перший час куля, що світиться, наступаючи, миттєво поглинає все на своєму шляху. У пил перетворюються не тільки кістки і тканини людини, а й тверді скелі, руйнуються навіть найміцніші штучні споруди та об'єкти. Не рятують броньовані двері в надійні притулку, розплющуються танки й інша бойова техніка.

Плазма за своїми властивостями нагадує газ тим, що не володіє певними формами і обсягом, в наслідок цього вона здатна необмежено розширюватися. З цієї причини багато фізиків висловлюють думку, що вважати її окремим агрегатним станом не слід. Однак істотні відмінності її від просто гарячого газу в наявності. До них відносяться: можливість проводити електричні струми і схильність до впливу магнітних полів, нестійкість і здатність складових частинок мати різні показники швидкостей і температур, при цьому колективно взаємодіяти між собою.