При каких условиях и где вещество находится в состоянии плазмы

 

Встречаем ли мы в повседневной жизни, в наших земных условиях вещество в состоянии плазмы? Оказывается, это бывает не так уж редко. Сейчас, по-видимому, найдется немного людей, не видевших ламп дневного света, красочной световой рекламы. Однако не все знают, что здесь вещество находится в состоянии плазмы. Точно так же не всем известно, что при явлении молнии (как и при других видах электрического разряда в газах) вещество переходит в состояние плазмы (совершая затем довольно быстро обратный переход в газообразное состояние).

В космосе вещество преимущественно находится в состоянии плазмы. Солнце и большая часть звезд — это высокотемпературные плазменные образования.

Естественно, что для того чтобы представлять, когда мы можем встретиться с веществом в состоянии плазмы, нужно знать, как и при каких условиях она возникает. А для этого следует рассмотреть различие в микроструктуре вещества, находящегося в разных состояниях.

В твердом состоянии атомы или молекулы вследствие взаимного притяжения расположены в узлах кристаллических решеток. Нужно сказать, что такие атомы или молекулы не неподвижны — они совершают малые колебания относительно узла решетки как положения равновесия. Естественно, вследствие связи частиц в колебаниях одновременно участвуют все частицы кристалла. Эти колебания называют обычно фононами. При повышении температуры, то есть при возрастании кинетической энергии частиц, амплитуды их колебаний увеличиваются. Частицы стремятся оторваться от ближайших соседей, разрушить кристаллическую структуру. Но так как существуют силы притяжения, то до определенных средних кинетических энергий частиц (температур) разрушения решетки не происходит. Лишь тогда, когда амплитуда колебаний частиц становится приблизительно равной расстоянию между узлами решетки, последняя разрушается — вещество переходит в жидкое состояние. Соответствующую такому переходу температуру именуют температурой плавления.

В жидком состоянии не существует строгого порядка в построении частиц, однако они не могут отойти далеко друг от друга, поскольку их кинетическая энергия не превосходит потенциальную энергию взаимного притяжения.

Нагревая жидкость, мы увеличиваем кинетическую энергию частиц. Наконец, тогда, когда их кинетическая энергия превысит потенциальную энергию притяжения, они смогут оторваться друг от друга. Вещество перейдет в газообразное состояние, при котором частицы, оставаясь нейтральными, движутся большую часть времени независимо и лишь в отдельные короткие промежутки сталкиваются. Температуру, соответствующую переходу жидкость—газ, называют температурой газообразования.

Что же произойдет при дальнейшем нагревании газа? Вначале будет лишь увеличиваться температура (а вместе с ней и давление). Качественный скачок, то есть переход в другое состояние — состояние плазмы, произойдет тогда, когда средние энергии частиц станут сравнимыми с потенциальной энергией притяжения электрона ядром. Иначе говоря, температура, измеренная в энергетических единицах, будет приблизительно равна потенциалу ионизации. В этих условиях случайно оказавшийся в газе нейтральных частиц электрон с кинетической энергией, превосходящей потенциал ионизации, сталкиваясь с атомом, может передать свою энергию не всему атому, а отдельному электрону и выбить этот электрон из атома — ионизовать атом. Такой процесс ионизации нейтральных частиц приводит к тому, что в газе возникает примесь электронов и ионов — примесь плазмы. При дальнейшем повышении температуры вещество переходит в состояние плазмы.

Зная, что потенциалы ионизации различных веществ колеблются от нескольких электрон-вольт до приблизительно 10 эВ, нетрудно указать температуры плазмообразования. Они составляют от нескольких десятков тысяч до сотни тысяч градусов. Сейчас не будем останавливаться на том, как нагреть вещество до таких температур и как его теплоизолировать.

Описанный способ ионизации нейтрального газа, то есть образования плазмы, называют тепловым, или термическим. В природных условиях плазма Солнца и звезд образована термическим путем. Существуют и другие способы получения плазмы. Так, при облучении газа потоком фотонов (у-квантов) с энергиями порядка потенциала ионизации вещество также переходит в состояние плазмы. Подобный механизм ионизации газа излучением эффективен при условии, что обратный процесс соединения электронов с ионами в нейтральный атом происходит не быстрее процесса ионизации. При температурах, которые заметно ниже потенциалов ионизации, образование плазмы облучением может осуществляться лишь в сильно разреженном газе и при достаточно больших потоках фотонов. Такая ситуация реализуется в верхних слоях атмосферы Земли, где за счет солнечного излучения возникают плазменные слои, называемые ионосферой.

В лабораторных условиях и в технике широко применяют способ получения плазмы с помощью электрического разряда. В естественных условиях типичным примером образования плазмы этим способом служит явление молнии. Условие существования газоразрядной плазмы и есть условие существования разряда. Для возникновения последнего необходимо, чтобы электрон, попавший в электрическое поле, получил на длине свободного пробега энергию большую, чем это нужно для выбивания из нейтрального атома одного электрона. В этом случае нарастание потока электронов (до определенной поры) происходит лавинообразно (подобно тому как протекают цепные ядерные реакции): первый электрон выбивает еще один, два электрона — четыре и т. д. Иными словами, число электронов размножается вначале по геометрической прогрессии. В этом случае достаточно иметь весьма малую часть затравочных электронов, чтобы образовалась лавина, то есть возник разряд. Такие электроны практически всегда есть.

Отметим, что при разряде может происходить также и разогрев плазмы за счет джоулева тепла, возникающего при прохождении через вещество тока. Это свою очередь может привести к образованию плазмы термическим путем. Естественным условием разогрева является превышение «подачи» джоулева тепла над теплоотводом.

И хотя весь ансамбль частиц в большинстве физических процессов может проявлять сугубо плазменные свойства, немалую роль играют также свойства нейтрального газа.

Оставьте комментарий