План:
1. Виды агрегатных состояний.
2. Процесс ионизации.
3. Плазма – четвертое агрегатное состояние вещества.
4. Свойства плазмы.
5. Плазма в космическом пространстве.
6. Практическое применение плазмы.
1. Виды агрегатных состояний.
Основной физической моделью молекулярно–кинетической теории является совокупность движущихся и взаимодействующих между собой молекул вещества. Взаимное расположение, характер движения и взаимодействие молекул одного и того же вещества, существенно зависящие от внешних условий (температура, давление), характеризуют его агрегатное состояние. Различают четыре агрегатных состояния (или фазы) вещества: твердое, жидкое, газообразное, плазменное.
2. Процесс ионизации.
Нагревание газа приводит к увеличению скорости движения молекул, а следовательно, к возрастанию их средней кинетической энергии. Это означает, что взаимодействие молекул при столкновениях нельзя считать упругим, т. е. молекулы нельзя рассматривать как упругие шары.
Изменение характера столкновения при увеличении относительной скорости движения можно представить на примере соударения теннисных мячей. При скорости движения порядка 10 м/с мячи сталкиваются упруго, практически не деформируясь после соударения. Если скорость мячей оказывается порядка 100 м/с, то взаимодействие становится неупругим и мячи разрываются.
Большая кинетическая энергия атомов (молекул) в нагретом газе оказывается достаточной не только для деформации их электронных оболочек при столкновении, но и для выбивания из атома валентного электрона. При столкновении двух атомов Х один из них может потерять электрон, превращаясь при этом в положительный ион X+
Х + Х → Х + Х+ + е-. (1)
Ионизация — процесс образования ионов из атомов. Ионизация возможна и при столкновении различных частиц.
Реакция ионизации при столкновении атомов лития:
а) до столкновения;
б) после столкновения
3. Плазма – четвертое агрегатное состояние вещества.
Реакция (1) определяет один из многих возможных вариантов образования заряженных частиц в газе. В результате неупругого взаимодействия атомов качественно изменяется состав газа:
наряду с электрически нейтральными атомами (молекулами) появляются заряженные частицы (электроны, ионы). Полный электрический заряд газа в результате реакции ионизации не изменяется, так как суммарный заряд положительных ионов равен по модулю суммарному заряду отрицательно заряженных электронов. Изменение качественного состава газа приводит к образованию нового агрегатного состояния — плазмы.
Плазма — электронейтральная совокупность нейтральных и заряженных частиц.
Термин «плазма» впервые был введен американскими учеными И. Ленгмюром и Л. Тонксом в 1923 году. Существенных результатов в области гидродинамики, физической кинетики и физике плазмы достиг Лев Давидович Ландау. В 1936 году он дал кинетическое уравнение для плазмы и установил вид интеграла столкновений для заряженных частиц. В 1950 году И. Е. Тамм и А. Д. Сахаров предложили идею магнитной термоизоляции плазмы для осуществления управляемого термоядерного синтеза.
Плазма - частично или полностью ионизированный газ, в котором плотности положительных и отрицательных зарядов практически одинаковы. В лабораторных условиях плазма образуется в электрическом разряде в газе, в процессах горения и взрыва. Когда луч лазера сфокусировали линзой, в воздухе в области фокуса вспыхнула искра, и там образовалась плазма. Это вызвало огромный интерес у физиков. Первые затравочные электроны появляются в результате вырывания их из атомов среды после одновременного поглощения нескольких фотонов световой волны. Энергия каждого фотона рубинового лазера равна 1,78 эВ. Далее свободный электрон, поглощая фотоны, достигает энергии 10 эВ, достаточной для ионизации и рождения нового электрона в процессе столкновения с атомами среды. Разряд может гореть в течение длительного времени и светится ослепительно белым светом, на него невозможно смотреть без тёмных очков. Необычайно высокая температура - уникальное свойство оптического заряда - представляет большие возможности для использования его в качестве источника света. Возможность создания плазменного шнура световым излучением лазера открывает возможности для передачи энергии на расстояние.
Носителями заряда в плазме являются электроны и ионы, образовавшиеся в результате ионизации газа. Отношение числа ионизованных атомов к полному их числу в единице объема плазмы называют степенью ионизации плазмы (а). В зависимости от величины а говорят о слабо ионизованной (а – доли процента), частично ионизованной (а – несколько процентов) к полностью ионизованной (а близка к 100%) плазме.
Частицами плазмы при их индивидуальном или коллективном движении излучается электромагнитная волна. Интенсивность и спектр плазмы отражает состояние плазмы и может служить средством ее диагностики. Излучение плазмы — один из главных каналов ее энергетических потерь. Играет важную роль в установлении термодинамического равновесия в плазме.
Возможны различные типы колебаний, возбуждающиеся и распространяющиеся в плазме. К ним относятся медленные колебания тяжелых ионов относительно быстро колеблющихся электронов (ионно-звуковые волны) и высокочастотные колебания электронов относительно «неподвижных» ионов. В магнитном поле возможны высокочастотные спиральные волны (геликоны), обусловленные вращением электронов и ионов в магнитном поле, магнитозвуковые и Альфвена волны. Плазменные колебания приводят к возникновению турбулентности плазмы, что нарушает ее термоизоляцию.
Средние кинетические энергии различных типов частиц, составляющих плазму, могут быть разными. Поэтому в общем случае плазму характеризуют не одним значением температуры, а несколькими – различают электронную температуру Те, ионную температуру Тi и температуру нейтральных атомов Та. Плазму с ионной температурой Тi < 105 К называют низкотемпературной, а с Тi > 106 К – высокотемпературной.
Высокотемпературная плазма из смеси дейтерия и трития является основным объектом исследования по управляемому термоядерному синтезу.
Низкотемпературная плазма находит применение в газоразрядных источниках света, газовых лазерах, МГД – генераторах, плазмотронах, ионных приборах, плазменных двигателях и так далее.
Плазма, состоящая из нейтральных атомов, ионов и электронов, называется трехкомпонентной.
Существует понятие идеальной плазмы. Это плазма, в которой средняя потенциальная энергия взаимодействия частиц намного меньше их средней кинетической энергии. Представляет собой идеальный газ заряженных частиц, то есть газ в котором могут существовать электрическое поле и пространственный заряд, но нет взаимодействия между отдельными частицами. В большинстве встречающихся на практике случаев плазма близка к идеальной.
Реальная плазма — многокомпонентна. Она состоит из атомов и молекул в основном и в возбужденном состоянии, положительных и отрицательных ионов, электронов и фотонов.
4. Свойства плазмы.
Характерные свойства плазмы особенно наглядно проявляются при наличии электрического и магнитного полей, воздействующих на заряженные частицы плазмы. Интенсивное излучение плазменного столба возникает при таком электрическом разряде в атмосфере Земли, как молния, северное сияние. Плазма обладает рядом специфических свойств, что позволяет рассматривать ее как особое четвертое состояние вещества.
Из-за большой подвижности заряженные частицы плазмы легко перемещаются под действием электрических и магнитных полей. Поэтому любое нарушение электрической нейтральности отдельных областей плазмы, вызванное скоплением частиц одного знака заряда, быстро ликвидируется. Возникающие электрические поля перемещают заряженные частицы до тех пор, пока электрическая нейтральность не восстановится и электрическое поле не станет равным нулю.
В отличие от нейтрального газа, между молекулами которого существуют короткодействующие силы, между заряженными частицами плазмы действуют кулоновские силы, сравнительно медленно убывающие с расстоянием. Каждая частица взаимодействует сразу с большим количеством окружающих частиц. Благодаря этому наряду с беспорядочным (тепловым) движением частицы плазмы могут участвовать в разнообразных упорядоченных (коллективных) движениях. В плазме легко возбуждаются разного рода колебания и волны.
Проводимость плазмы увеличивается по мере роста степени ионизации. При высокой температуре полностью ионизованная плазма по своей проводимости приближается к сверхпроводникам.
5. Плазма в космическом пространстве.
В состоянии плазмы находится подавляющая (около 99,9 %) часть вещества Вселенной. Гигантскими скоплениями плазмы, вследствие высокой температуры, являются Солнце, другие звезды и туманности.
Солнечный ветер — это поток плазмы, испускаемый Солнцем (рис. 2). Он оказывает существенное влияние на магнитное поле Земли.
Заряженные частицы солнечного ветра останавливаются магнитным полем Земли, начиная циркулировать в радиационных поясах атмосферы. Эта циркуляция вызывает свечение атмосферы — полярное сияние.
Из плазмы состоит и межзвездная среда, заполняющая пространство между звездами и галактиками. Плотность межзвездной среды очень мала — в среднем менее одного атома на 1 см . Ионизация атомов межзвездной среды вызывается излучением звезд и космическими лучами — потоками быстрых частиц, пронизывающими пространство Вселенной по всем направлениям. В отличие от горячей плазмы звезд температура межзвездной плазмы очень мала.
Плазмой окружена наша планета. Верхний слой атмосферы на высоте 100—300 км представляет собой ионизованный газ — ионосферу. Ионизация воздуха верхних слоев атмосферы вызывается преимущественно излучением Солнца и потоком заряженных частиц, испускаемых Солнцем. Выше ионосферы простираются радиационные пояса Земли, открытые с помощью спутников. Радиационные пояса также состоят из плазмы.Многими свойствами плазмы обладают свободные электроны в металлах. В отличие от обычной плазмы в плазме твердых тел положительные ионы не могут перемещаться по всему телу.
Некоторые состояния плазмы: 1 — разряд при высоком давлении; 2 — эксперименты по синтезу ядер; 3 — термоядерные реакторы; 4 — разряд при низком давлении; 5 — пламя; 6 — тлеющий разряд; 7 — ионосфера; 8 — солнечная корона; 9 — межзвездное пространство; 10 — межпланетное пространство; 11 — центр Солнца.
6. Практическое применение плазмы.
Плазма возникает при всех видах разряда в газах: тлеющем, дуговом, искровом и т. д.
Излучение плазмы используется при создании искусственных источников света: люминесцентные, ртутные, натриевые лампы, лазеры.
В светящихся трубках для рекламных надписей и в лампах дневного света используют плазму положительного столба тлеющего разряда. В лампах дневного света происходит разряд в парах ртути. Стеклянную трубку покрывают специальным составом — люминофором, который под действием излучения плазмы сам начинает светиться. Люминофор подбирают таким, чтобы его свечение было близко по составу к белому свету.
Газоразрядную плазму используют во многих приборах, например в газовых лазерах — квантовых источниках света. Лазеры наиболее мощные источники света.
Горячая струя плазмы, движущейся в магнитном поле, применяется в магнитогидродинамических генераторах (МГД).
Для космических кораблей перспективно применение маломощных плазменных двигателей.
Сравнительно недавно был создан новый прибор — плазмотрон. В плазмотроне создаются мощные струи плотной низкотемпературной плазмы, широко применяемые в различных областях техники: для резки и сварки металлов, наплавки металлических материалов, разрушения горных пород высокой крепкости с применением плазмобура.
Эффективно применение плазменной технологии в сочетании с механической обработкой при изготовлении деталей из высокопрочных, трудно обрабатываемых материалов.
В плазменной струе ускоряются многие химические реакции, а также могут происходить такие реакции, которые в обычных условиях не наблюдаются.
Наиболее значительные перспективы физики видят в применении высокотемпературной плазмы (с температурой в десятки миллионов градусов) для создания управляемых термоядерных реакций.
В настоящее время ведутся интенсивные исследования по осуществлению термоядерных реакций, сопровождающихся выделением огромной энергии. Решение этой грандиозной задачи даст в руки человечества практически неисчерпаемый источник энергии.
Литература:
1. Большая энциклопедия Кирилла и Мефодия 2003 г. Главный редактор Т. Г. Музрукова
2. В.А. Касьянов Физика 10. М: Дрофа, 2015 г.
