Плазменное состояние вещества. Плазма: четвертое состояние вещества — свойства, применение и перспективы

Что такое плазма. Как образуется плазменное состояние вещества. Какими свойствами обладает плазма. Где встречается плазма в природе и как используется человеком. Каковы перспективы применения плазмы в энергетике будущего.

Что такое плазма и как она образуется

Плазма представляет собой ионизированный газ, в котором присутствует примерно равное количество положительно и отрицательно заряженных частиц. Ее часто называют четвертым агрегатным состоянием вещества наряду с твердым, жидким и газообразным.

Как образуется плазменное состояние вещества? Существует несколько основных способов:

• Нагрев газа до сверхвысоких температур (десятки и сотни тысяч градусов). При этом атомы газа приобретают такую высокую энергию, что электроны отрываются от ядер.
• Воздействие сильных электрических полей, вызывающих ионизацию газа.
• Облучение газа высокоэнергетическими частицами или электромагнитным излучением.
• Сжатие газа до высоких плотностей, при которых начинается процесс ионизации.

В результате ионизации газ превращается в смесь электронов, положительно заряженных ионов и нейтральных атомов. Именно наличие свободных заряженных частиц определяет уникальные свойства плазмы.

Основные свойства плазмы

Плазма обладает рядом особых физических свойств, отличающих ее от обычного газа:

• Высокая электропроводность. Плазма хорошо проводит электрический ток благодаря наличию свободных заряженных частиц.
• Квазинейтральность. В целом плазма электрически нейтральна, так как содержит равное количество положительных и отрицательных зарядов.
• Коллективное поведение частиц. Частицы плазмы взаимодействуют друг с другом на больших расстояниях через электромагнитные поля.
• Экранировка электрических полей. Плазма способна экранировать внешние электрические поля на расстояниях порядка дебаевского радиуса.
• Чувствительность к магнитным полям. Под действием магнитного поля в плазме возникают электрические токи.

Эти уникальные свойства определяют широкое распространение плазмы в природе и возможности ее практического применения.

Плазма в природе

В природе плазма встречается гораздо чаще, чем может показаться на первый взгляд. По оценкам ученых, более 99% видимого вещества Вселенной находится в состоянии плазмы. Где можно наблюдать природную плазму?

• Звезды, включая наше Солнце. Их вещество представляет собой раскаленную плазму с температурой в миллионы градусов.
• Межзвездная среда. Разреженный ионизированный газ заполняет пространство между звездами.
• Солнечный ветер. Поток плазмы, испускаемый Солнцем, пронизывает всю Солнечную систему.
• Ионосфера Земли. Верхние слои атмосферы ионизированы под действием солнечного излучения.
• Полярные сияния. Они возникают при взаимодействии заряженных частиц солнечного ветра с атмосферой.
• Молнии. Электрический разряд в атмосфере сопровождается образованием плазменного канала.

Таким образом, плазма широко распространена в космосе и встречается в земных условиях в виде кратковременных явлений.

Применение плазмы в технике и промышленности

Уникальные свойства плазмы нашли широкое применение в различных областях техники и промышленности:

• Источники света. Газоразрядные и люминесцентные лампы, неоновые вывески основаны на свечении плазмы.
• Плазменные дисплеи. В них каждый пиксель представляет собой миниатюрную газоразрядную ячейку.
• Плазменная резка и сварка металлов. Струя высокотемпературной плазмы используется для обработки материалов.
• Плазмохимия. В плазме протекают уникальные химические реакции, невозможные в обычных условиях.
• Плазменное напыление покрытий. Позволяет получать сверхтвердые и износостойкие поверхности.
• Плазменные двигатели. Используются в космических аппаратах для создания тяги в вакууме.

Это лишь некоторые примеры практического использования плазмы. Сфера ее применения постоянно расширяется по мере развития технологий.

Перспективы использования плазмы в энергетике

Одно из наиболее перспективных направлений применения плазмы связано с созданием управляемого термоядерного синтеза. Эта технология может обеспечить человечество практически неисчерпаемым источником чистой энергии.

Для осуществления термоядерной реакции необходимо нагреть плазму из изотопов водорода до температуры в сотни миллионов градусов. При этом ядра водорода сливаются с выделением огромного количества энергии. Основные проблемы, которые предстоит решить ученым:

• Нагрев плазмы до сверхвысоких температур.
• Удержание горячей плазмы в ограниченном объеме.
• Обеспечение стабильного протекания реакции.

Для решения этих задач разрабатываются различные типы термоядерных реакторов. Наиболее перспективными считаются установки типа токамак с магнитным удержанием плазмы. В настоящее время ведется строительство Международного экспериментального термоядерного реактора ITER, который должен продемонстрировать возможность получения управляемой термоядерной реакции.

Успешная реализация проекта управляемого термоядерного синтеза может привести к революции в энергетике и решить глобальные энергетические проблемы человечества.

Заключение

Плазма представляет собой уникальное состояние вещества с необычными свойствами. Она широко распространена в природе и находит все более широкое применение в современных технологиях. Изучение плазмы открывает новые горизонты для фундаментальной науки и прикладных исследований. Развитие плазменных технологий может привести к прорывам в энергетике, материаловедении, медицине и других областях. Несомненно, роль плазмы в жизни человечества будет возрастать по мере развития научно-технического прогресса.

Состояние плазмы

Солнечное вещество находится в состоянии плазмы

Состояние плазмы практически единогласно признается научным сообществом как четвертое агрегатное состояние. Вокруг данного состояния даже образовалась отдельная наука, изучающая это явление – физика плазмы. Состояние плазмы или ионизованный газ представляется как набор заряженных частиц, суммарный заряд которых в любом объеме системы равен нулю – квазинейтральный газ.

Содержание:

• 1 Получение плазмы
• 2 Свойства и параметры плазмы
• 3 Применение
• 4 Плазма в природе
• 5 Материалы по теме

Получение плазмы

Получить высокотемпературную плазму можно двумя способами: посредством сильного нагрева газа, либо при помощи сильного сжатия вещества. При таких условиях электроны не способны удерживаться на орбитах в атомах вещества, в результате чего «сходят» с них. Таким образом возникает набор отдельных положительных частиц (протонов или ядер атомов — ионов) и электронов. Посредством дальнейшего увеличения давления или температуры из состояния плазмы также можно получить кварк-глюонную плазму.

Плазма как четвертое агрегатное состояние

Также существует газоразрядная плазма, которая возникает при газовом разряде. При прохождении электрического тока через газ, первый ионизирует газ, ионизированные частицы которого являются переносчиками тока. Так в лабораторных условиях получают плазму, степень ионизации которой можно контролировать при помощи изменения параметров тока. Однако, в отличие от высокотемпературной плазмы, газоразрядная нагревается за счет тока, и потому быстро охлаждается при взаимодействии с незаряженными частицами окружающего газа.

Электрическая дуга — ионизированный квазинейтральный газ

Свойства и параметры плазмы

В отличие от газа вещество в состоянии плазмы обладает очень высокой электрической проводимостью. И хотя суммарный электрический заряд плазмы обычно равен нулю, она значительно подвержена влиянию магнитного поля, которое способно вызывать течение струй такого вещества и разделять его на слои, как это наблюдается на Солнце.

Спикулы — потоки солнечной плазмы

Другое свойство, которое отличает плазму от газа – коллективное взаимодействие. Если частицы газа обычно сталкиваются по двое, изредка лишь наблюдается столкновение трех частиц, то частицы плазмы, в силу наличия электромагнитных зарядов, взаимодействуют одновременно с несколькими частицами.

В зависимости от своих параметров плазму разделяют по следующим классам:

• По температуре: низкотемпературная – менее миллиона кельвин, и высокотемпературная – миллион кельвин и более. Одна из причин существования подобного разделения заключается в том, что лишь высокотемпературная плазма способна участвовать в термоядерном синтезе.
• Равновесная и неравновесная. Вещество в состоянии плазмы, температура электронов которого значительно превышает температуру ионов, называется неравновесной. В случае же когда температура электронов и ионов одинаковая говорят о равновесной плазме.
• По степени ионизации: высокоионизационная и плазма с низкой степенью ионизации. Дело в том, что даже ионизированный газ, 1% частиц которого ионизированы, проявляет некоторые свойства плазмы. Однако, обычно плазмой называют полностью ионизированный газ (100%). Примером вещества в таком состоянии является солнечное вещество. Степень ионизации напрямую зависит от температуры.

Применение

Наибольшее применение плазма нашла в светотехнике: в газоразрядных лампах, экранах и различных газоразрядных приборах, вроде стабилизатора напряжения или генератора сверхвысокочастотного (микроволнового) излучения. Возвращаясь к освещению – все газоразрядные лампы основаны на протекании тока через газ, что вызывает ионизацию последнего. Популярный в технике плазменный экран представляет собой набор газоразрядных камер, заполненных сильно ионизированным газом. Электрический разряд, возникающий в этом газе порождает ультрафиолетовое излучение, которое поглощается люминифором и далее вызывает его свечение в видимом диапазоне.

Устройство плазменного экрана

Вторая область применения плазмы – космонавтика, а конкретнее – плазменные двигатели. Такие двигатели работают на основе газа, обычно ксенона, который сильно ионизируется в газоразрядной камере. В результате этого процесса тяжелые ионы ксенона, которые к тому же ускоряются магнитным полем, образуют мощный поток, создающий тягу двигателя.

Наибольшее же надежды возлагаются на плазму – как на «топливо» для термоядерного реактора. Желая повторить процессы синтеза атомных ядер, протекающие на Солнце, ученые работают над получением энергии синтеза из плазмы. Внутри такого реактора сильно разогретое вещество (дейтерий, тритий или даже гелий-3) находится в состоянии плазмы, и в силу своих электромагнитных свойств, удерживается за счет магнитного поля. Формирование более тяжелых элементов из исходной плазмы происходит с выделением энергии.

Устройство термоядерного реактора

Также плазменные ускорители используются в экспериментах по физике высоких энергий.

Плазма в природе

Материалы по теме

Состояние плазмы – наиболее распространенная форма вещества, на которую приходиться около 99% массы всей Вселенной. Вещество любой звезды – это сгусток высокотемпературной плазмы. Помимо звезд, существует и межзвездная низкотемпературная плазма, которая заполняет космическое пространство.

Ярчайшим примером является ионосфера Земли, которая представляет собой смесь нейтральных газов (кислорода и азота), а также сильно ионизированного газа. Ионосфера образуется как следствие облучения газа солнечным излучением. Взаимодействие же космического излучения с ионосферой приводит к полярному сиянию.

На Земле плазму можно наблюдать в момент удара молнии. Электрический искровой заряд, протекающий в атмосфере, сильно ионизирует газ на своем пути, образуя тем самым плазму. Следует отметить, что «полноценная» плазма, как набор отдельных заряженных частиц, образуется при температурах более 8 000 градусов Цельсия. По этой причине утверждение, что огонь (температура которого не превышает 4 000 градусов) – это плазма – лишь популярное заблуждение.

Понравилась запись? Расскажи о ней друзьям!

Просмотров записи: 33626

Запись опубликована: 05. 07.2017
Автор: Владимир Соловьев

Вездесущая плазма

Алексей Левин
«Популярная механика» №4, 2010

Что такое четвертое состояние вещества, чем оно отличается от трех других и как заставить его служить человеку.

Полтораста лет назад почти все химики и многие физики считали, что материя состоит лишь из атомов и молекул, которые объединяются в более-менее упорядоченные или же совсем неупорядоченные комбинации. Мало кто сомневался, что все или почти все вещества способны существовать в трех разных фазах — твердой, жидкой и газообразной, которые они принимают в зависимости от внешних условий. Но гипотезы о возможности других состояний вещества уже высказывались.

Эту универсальную модель подтверждали и научные наблюдения, и тысячелетия опыта обыденной жизни. В конце концов, каждый знает, что вода при охлаждении превращается в лед, а при нагревании закипает и испаряется. Свинец и железо тоже можно перевести и в жидкость, и в газ, их надо лишь нагреть посильнее. С конца XVIII века исследователи замораживали газы в жидкости, и выглядело вполне правдоподобным, что любой сжиженный газ в принципе можно заставить затвердеть. В общем, простая и понятная картина трех состояний вещества вроде бы не требовала ни поправок, ни дополнений.

Ученые того времени немало удивились бы, узнав, что твердое, жидкое и газообразное состояния атомно-молекулярного вещества сохраняются лишь при относительно низких температурах, не превышающих 10000°, да и в этой зоне не исчерпывают всех возможных структур (пример — жидкие кристаллы). Нелегко было бы и поверить, что на их долю приходится не больше 0,01% от общей массы нынешней Вселенной. Сейчас-то мы знаем, что материя реализует себя во множестве экзотических форм. Некоторые из них (например, вырожденный электронный газ и нейтронное вещество) существуют лишь внутри сверхплотных космических тел (белых карликов и нейтронных звезд), а некоторые (такие как кварк-глюонная жидкость) родились и исчезли в краткий миг вскоре после Большого взрыва.  Однако интересно, что предположение о существовании первого из состояний, выходящих за рамки классической триады, было высказано все в том же ХIХ столетии, причем в самом его начале. В предмет научного исследования оно превратилось много позже, в 1920-х. Тогда же и получило свое название — плазма.

Во второй половине 70-х годов XIX века член Лондонского королевского общества Уильям Крукс, весьма успешный метеоролог и химик (он открыл таллий и чрезвычайно точно определил его атомный вес), заинтересовался газовыми разрядами в вакуумных трубках. К тому времени было известно, что отрицательный электрод испускает эманацию неизвестной природы, которую немецкий физик Ойген Голдштейн в 1876 году назвал катодными лучами. После множества опытов Крукс решил, что эти лучи есть не что иное, как частицы газа, которые после столкновения с катодом приобрели отрицательный заряд и стали двигаться в направлении анода. Эти заряженные частицы он назвал «лучистой материей», radiant matter.

Следует признать, что в таком объяснении природы катодных лучей Крукс не был оригинален. Еще в 1871 году сходную гипотезу высказал крупный британский инженер-электротехник Кромвелл Флитвуд Варли, один из руководителей работ по прокладке первого трансатлантического телеграфного кабеля. Однако результаты экспериментов с катодными лучами привели Крукса к очень глубокой мысли: среда, в которой они распространяются, – это уже не газ, а нечто совершенно иное. 22 августа 1879 года на сессии Британской ассоциации в поддержку науки Крукс заявил, что разряды в разреженных газах «так непохожи на все происходящее в воздухе или любом газе при обычном давлении, что в этом случае мы имеем дело с веществом в четвертом состоянии, которое по свойствам отличается от обычного газа в такой же степени, что и газ от жидкости».

Нередко пишут, что именно Крукс первым додумался до четвертого состояния вещества. В действительности эта мысль гораздо раньше осенила Майкла Фарадея. В 1819 году, за 60 лет до Крукса, Фарадей предположил, что вещество может пребывать в твердом, жидком, газообразном и лучистом состояниях, radiant state of matter. В своем докладе Крукс прямо сказал, что пользуется терминами, заимствованными у Фарадея, но потомки об этом почему-то забыли. Однако фарадеевская идея была все-таки умозрительной гипотезой, а Крукс обосновал ее экспериментальными данными.

Катодные лучи интенсивно изучали и после Крукса. В 1895 году эти эксперименты привели Вильяма Рёнтгена к открытию нового вида электромагнитного излучения, а в начале ХХ века обернулись изобретением первых радиоламп. Но круксовская гипотеза четвертого состояния вещества не вызвала интереса у физиков — скорее всего потому, что в 1897 году Джозеф Джон Томсон доказал, что катодные лучи представляют собой не заряженные атомы газа, а очень легкие частицы, которые он назвал электронами. Это открытие, казалось, сделало гипотезу Крукса ненужной.

Однако она возродилась, как феникс из пепла. Во второй половине 1920-х будущий нобелевский лауреат по химии Ирвинг Ленгмюр, работавший в лаборатории корпорации General Electric, вплотную занялся исследованием газовых разрядов. Тогда уже знали, что в пространстве между анодом и катодом атомы газа теряют электроны и превращаются в положительно заряженные ионы. Осознав, что подобный газ имеет множество особых свойств, Ленгмюр решил наделить его собственным именем. По какой-то странной ассоциации он выбрал слово «плазма», которое до этого использовали лишь в минералогии (это еще одно название зеленого халцедона) и в биологии (жидкая основа крови, а также молочная сыворотка). В своем новом качестве термин «плазма» впервые появился в статье Ленгмюра «Колебания в ионизованных газах», опубликованной в 1928 году. Лет тридцать этим термином мало кто пользовался, но потом он прочно вошел в научный обиход.

Классическая плазма — это ионно-электронный газ, возможно, разбавленный нейтральными частицами (строго говоря, там всегда присутствуют фотоны, но при умеренных температурах их можно не учитывать). Если степень ионизации не слишком мала (как правило, вполне достаточно одного процента), этот газ демонстрирует множество специфических качеств, которыми не обладают обычные газы. Впрочем, можно изготовить плазму, в которой свободных электронов не будет вовсе, а их обязанности возьмут на себя отрицательные ионы.

Для простоты рассмотрим лишь электронно-ионную плазму. Ее частицы притягиваются или отталкиваются в соответствии с законом Кулона, причем это взаимодействие проявляется на больших расстояниях. Именно этим они отличаются от атомов и молекул нейтрального газа, которые чувствуют друг друга лишь на очень малых дистанциях. Поскольку плазменные частицы пребывают в свободном полете, они легко смещаются под действием электрических сил. Для того чтобы плазма находилась в состоянии равновесия, необходимо, чтобы пространственные заряды электронов и ионов полностью компенсировали друг друга. Если это условие не выполняется, в плазме возникают электрические токи, которые восстанавливают равновесие (например, если в какой-то области образуется избыток положительных ионов, туда мгновенно устремятся электроны). Поэтому в равновесной плазме плотности частиц разных знаков практически одинаковы. Это важнейшее свойство называется квазинейтральностью.

Практически всегда атомы или молекулы обычного газа участвуют только в парных взаимодействиях — сталкиваются друг с другом и разлетаются в стороны. Иное дело плазма. Поскольку ее частицы связаны дальнодействующими кулоновскими силами, каждая из них находится в поле ближних и дальних соседей. Это означает, что взаимодействие между частицами плазмы не парное, а множественное — как говорят физики, коллективное. Отсюда следует стандартное определение плазмы — квазинейтральная система большого числа разноименных заряженных частиц, демонстрирующих коллективное поведение.

Плазма отличается от нейтрального газа и реакцией на внешние электрические и магнитные поля (обычный газ их практически не замечает). Частицы плазмы, напротив, чувствуют сколь угодно слабые поля и немедленно приходят в движение, порождая объемные заряды и электрические токи. Еще одна важнейшая особенность равновесной плазмы — зарядовое экранирование. Возьмем частицу плазмы, скажем, положительный ион. Он притягивает электроны, которые формируют облако отрицательного заряда. Поле такого иона ведет себя в соответствии с законом Кулона лишь в его окрестности, а на расстояниях, превышающих определенную критическую величину, очень быстро стремится к нулю. Этот параметр называется дебаевским радиусом экранирования — в честь голландского физика Питера Дебая, который описал этот механизм в 1923 году.

Легко понять, что плазма сохраняет квазинейтральность, лишь если ее линейные размеры по всем измерениям сильно превышают дебаевский радиус. Стоит отметить, что этот параметр возрастает при нагреве плазмы и падает по мере увеличения ее плотности. В плазме газовых разрядов по порядку величины он равен 0,1 мм, в земной ионосфере — 1 мм, в солнечном ядре — 0,01 нм.

В наши дни плазма используется в великом множестве технологий. Одни из них известны каждому (газосветные лампы, плазменные дисплеи), другие представляют интерес для узких специалистов (производство сверхпрочных защитных пленочных покрытий, изготовление микрочипов, дезинфекция). Однако наибольшие надежды на плазму возлагают в связи с работами по осуществлению управляемых термоядерных реакций. Это и понятно. Чтобы ядра водорода слились в ядра гелия, их надо сблизить на расстояние порядка одной стомиллиардной доли сантиметра — а там уже заработают ядерные силы. Такое сближение возможно лишь при температурах в десятки и сотни миллионов градусов — в этом случае кинетической энергии положительно заряженных ядер хватит для преодоления электростатического отталкивания. Поэтому для управляемого термоядерного синтеза необходима высокотемпературная водородная плазма.

Правда, плазма на основе обычного водорода здесь не поможет. Такие реакции происходят в недрах звезд, но для земной энергетики они бесполезны, поскольку слишком мала интенсивность энерговыделения. Лучше всего использовать плазму из смеси тяжелых изотопов водорода дейтерия и трития в пропорции 1:1 (чисто дейтериевая плазма тоже приемлема, хотя даст меньше энергии и потребует более высоких температур для поджига).

Однако для запуска реакции одного нагрева маловато. Во-первых, плазма обязана быть достаточно плотной; во-вторых, попавшие в зону реакции частицы не должны покидать ее слишком быстро — иначе потеря энергии превысит ее выделение. Эти требования можно представить в виде критерия, который в 1955 году предложил английский физик Джон Лоусон. В соответствии с этой формулой произведение плотности плазмы на среднее время удержания частиц должно быть выше некоторой величины, определяемой температурой, составом термоядерного топлива и ожидаемым коэффициентом полезного действия реактора.

Легко увидеть, что существуют два пути выполнения критерия Лоусона. Можно сократить время удержания до наносекунд за счет сжатия плазмы, скажем, до 100–200 г/см³ (поскольку плазма при этом не успевает разлететься, этот метод удержания называют инерционным). Физики отрабатывают эту стратегию с середины 1960-х годов; сейчас ее наиболее совершенной версией занимается Ливерморская национальная лаборатория. В этом году там начнут эксперименты по компрессии миниатюрных капсул из бериллия (диаметр 1,8 мм), заполненных дейтериево-тритиевой смесью, с помощью 192 ультрафиолетовых лазерных пучков. Руководители проекта полагают, что не позднее 2012 года они смогут не только поджечь термоядерную реакцию, но и получить положительный выход энергии. Возможно, аналогичная программа в рамках проекта HiPER (High Power Laser Energy Research) в ближайшие годы будет запущена и в Европе. Однако даже если эксперименты в Ливерморе полностью оправдают возлагаемые на них ожидания, дистанция до создания настоящего термоядерного реактора с инерционным удержанием плазмы все равно останется очень большой. Дело в том, что для создания прототипа электростанции необходима очень скорострельная система сверхмощных лазеров. Она должна обеспечить такую частоту вспышек, зажигающих дейтериево-тритиевые мишени, которая в тысячи раз превысит возможности ливерморской системы, делающей не более 5–10 выстрелов в секунду. Сейчас активно обсуждаются различные возможности создания таких лазерных пушек, но до их практической реализации еще очень далеко.

Альтернативно можно работать с разреженной плазмой (плотностью в нанограммы на кубический сантиметр), удерживая ее в зоне реакции не менее нескольких секунд. В таких экспериментах вот уже более полувека применяют различные магнитные ловушки, которые удерживают плазму в заданном объеме за счет наложения нескольких магнитных полей. Самыми перспективными считают токамаки — замкнутые магнитные ловушки в форме тора, впервые предложенные А. Д. Сахаровым и И. Е. Таммом в 1950 году. В настоящее время в различных странах работает с дюжину таких установок, крупнейшие из которых позволили приблизиться к выполнению критерия Лоусона. Международный экспериментальный термоядерный реактор, знаменитый ITER, который построят в поселке Кадараш неподалеку от французского города Экс-ан-Прованс, — тоже токамак. Если все пойдет по плану, ITER позволит впервые получить плазму, удовлетворяющую лоусоновскому критерию, и поджечь в ней термоядерную реакцию.

«За последние два десятка лет мы добились огромного прогресса в понимании процессов, которые происходят внутри магнитных плазменных ловушек, в частности — токамаков. В целом мы уже знаем, как движутся частицы плазмы, как возникают неустойчивые состояния плазменных потоков и до какой степени увеличивать давление плазмы, чтобы ее все-таки можно было удержать магнитным полем. Были также созданы новые высокоточные методы плазменной диагностики, то есть измерения различных параметров плазмы, — рассказал «ПМ» профессор ядерной физики и ядерных технологий Массачусетского технологического института Йен Хатчинсон, который свыше 30 лет занимается токамаками. — К настоящему времени в крупнейших токамаках достигнуты мощности выделения тепловой энергии в дейтериево-тритиевой плазме порядка 10 мегаватт на протяжении одной-двух секунд. ITER превзойдет эти показатели на пару порядков. Если мы не ошибаемся в расчетах, он сможет выдавать не менее 500 мегаватт в течение нескольких минут. Если уж совсем повезет, энергия будет генерироваться вообще без ограничения времени, в стабильном режиме».

Профессор Хатчинсон также подчеркнул, что ученые сейчас хорошо понимают характер процессов, которые должны происходить внутри этого огромного токамака: «Мы даже знаем условия, при которых плазма подавляет свои собственные турбулентности, а это очень важно для управления работой реактора. Конечно, необходимо решить множество технических задач — в частности, завершить разработку материалов для внутренней облицовки камеры, способных выдержать интенсивную нейтронную бомбардировку. Но с точки зрения физики плазмы картина достаточно ясна — во всяком случае мы так считаем. ITER должен подтвердить, что мы не ошибаемся. Если все так и будет, придет черед и токамаку следующего поколения, который станет прототипом промышленных термоядерных реакторов. Но сейчас об этом говорить еще рано. А пока мы рассчитываем, что ITER начнет работать в конце этого десятилетия. Скорее всего, он сможет генерировать горячую плазму никак не раньше 2018 года — во всяком случае по нашим ожиданиям». Так что с точки зрения науки и техники у проекта ITER неплохие перспективы.

Плазма | Физика, состояние вещества и факты

Ключевые люди:

Лев Давидович Ландау Ханнес Альфвен

Похожие темы:

магнитное число Рейнольдса плазменные колебания щипковый эффект кварк-глюонная плазма радиолокационный метод некогерентного рассеяния

См. все связанные материалы →

плазма , в физике электропроводящая среда, в которой имеется примерно равное количество положительно и отрицательно заряженных частиц, образующихся при ионизации атомов газа. Его иногда называют четвертым состоянием вещества, отличным от твердого, жидкого и газообразного состояний.

Отрицательный заряд обычно переносится электронами, каждый из которых имеет одну единицу отрицательного заряда. Положительный заряд обычно несут атомы или молекулы, у которых отсутствуют те самые электроны. В некоторых редких, но интересных случаях электроны, отсутствующие в атоме или молекуле одного типа, присоединяются к другому компоненту, в результате чего плазма содержит как положительные, так и отрицательные ионы.

Самый крайний случай этого типа возникает, когда небольшие, но макроскопические частицы пыли заряжаются в состоянии, называемом пылевой плазмой. Уникальность состояния плазмы обусловлена ​​важностью электрических и магнитных сил, действующих на плазму в дополнение к таким силам, как гравитация, влияющим на все формы материи. Поскольку эти электромагнитные силы могут действовать на больших расстояниях, плазма будет действовать коллективно почти как жидкость, даже если частицы редко сталкиваются друг с другом.

Почти вся видимая материя во Вселенной существует в состоянии плазмы, встречаясь преимущественно в этой форме на Солнце и в звездах, а также в межпланетном и межзвездном пространстве. Полярные сияния, молнии и сварочные дуги также являются плазмой; плазма существует в неоновых и люминесцентных лампах, в кристаллической структуре металлических тел и во многих других явлениях и объектах. Сама Земля погружена в разреженную плазму, называемую солнечным ветром, и окружена плотной плазмой, называемой ионосферой.

Плазма может быть получена в лаборатории путем нагревания газа до чрезвычайно высокой температуры, которая вызывает такие сильные столкновения между его атомами и молекулами, что электроны вырываются на свободу, давая необходимые электроны и ионы. Аналогичный процесс происходит внутри звезд. В космосе преобладающим процессом образования плазмы является фотоионизация, при которой фотоны солнечного или звездного света поглощаются существующим газом, вызывая испускание электронов. Поскольку Солнце и звезды светят непрерывно, практически все вещество в таких случаях ионизируется, и говорят, что плазма полностью ионизирована. Однако это не обязательно, так как плазма может быть ионизирована лишь частично. Полностью ионизированная водородная плазма, состоящая исключительно из электронов и протонов (ядер водорода), является самой элементарной плазмой.

Викторина «Британника»

Наука: правда или вымысел?

Современная концепция состояния плазмы имеет недавнее происхождение, восходит к началу 1950-х годов. Его история переплетается со многими дисциплинами. Три основные области исследований внесли уникальный ранний вклад в развитие физики плазмы как дисциплины: электрические разряды, магнитогидродинамика (в которой изучается проводящая жидкость, такая как ртуть) и кинетическая теория.

Интерес к явлениям электрического разряда восходит к началу 18-го века, когда три английских физика — Майкл Фарадей в 1830-х годах и Джозеф Джон Томсон и Джон Сили Эдвард Таунсенд на рубеже 19-го века — заложили основы настоящее понимание явления. Ирвинг Ленгмюр ввел термин «плазма» в 1923 году при исследовании электрических разрядов. В 1929 г. он и Льюи Тонкс, еще один физик, работавший в Соединенных Штатах, использовали этот термин для обозначения тех областей разряда, в которых могут происходить определенные периодические изменения отрицательно заряженных электронов. Они назвали эти колебания плазменными колебаниями, а их поведение указывало на поведение желеобразного вещества. Не раньше 19Однако в 52, когда два других американских физика, Дэвид Бом и Дэвид Пайнс, впервые рассмотрели коллективное поведение электронов в металлах в отличие от поведения в ионизированных газах, общая применимость концепции плазмы была полностью оценена.

Оформите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчас

Коллективное поведение заряженных частиц в магнитных полях и концепция проводящей жидкости неявно отражены в магнитогидродинамических исследованиях, основы которых были заложены в начале и середине 1800-х годов Фарадеем и Андре-Мари Ампером из Франции. Не раньше 19Однако в 30-е годы, когда открывались новые солнечные и геофизические явления, рассматривались многие основные проблемы взаимодействия ионизированных газов с магнитными полями. В 1942 году шведский физик Ханнес Альфвен ввел понятие магнитогидродинамических волн. Этот вклад, наряду с его дальнейшими исследованиями космической плазмы, привел к получению Альфвеном Нобелевской премии по физике в 1970 году.

Узнайте, как работает лазер PHELIX

Посмотреть все видео к этой статье

Эти два отдельных подхода — изучение электрических разрядов и изучение поведения проводящих жидкостей в магнитных полях — были объединены введением кинетической теории состояния плазмы. Эта теория утверждает, что плазма, как и газ, состоит из частиц, находящихся в случайном движении, взаимодействие которых может осуществляться посредством электромагнитных сил дальнего действия, а также посредством столкновений. В 1905 г. голландский физик Хендрик Антон Лоренц применил кинетическое уравнение для атомов (формулировка австрийского физика Людвига Эдуарда Больцмана) к поведению электронов в металлах. Различные физики и математики в 1930-е и 40-е годы развили кинетическую теорию плазмы до высокой степени сложности. С начала 1950-х годов интерес все больше сосредоточивался на самом состоянии плазмы. Исследование космоса, разработка электронных устройств, растущее осознание важности магнитных полей в астрофизических явлениях и поиски управляемых термоядерных (ядерных термоядерных) энергетических реакторов — все это стимулировало такой интерес. Многие проблемы в области физики космической плазмы остаются нерешенными из-за сложности явлений. Например, описания солнечного ветра должны включать не только уравнения, учитывающие эффекты гравитации, температуры и давления, необходимые в науке об атмосфере, но и уравнения шотландского физика Джеймса Клерка Максвелла, необходимые для описания электромагнитного поля.

Состояние вещества: плазма | Live Science

Когда вы совершаете покупку по ссылкам на нашем сайте, мы можем получать партнерскую комиссию. Вот как это работает.

Скриншот замедленного видео, показывающий две полосы плазмы, стреляющие в сторону от солнца. (Изображение предоставлено НАСА)

Плазма — это состояние материи, которое часто считают подмножеством газов, но эти два состояния ведут себя совершенно по-разному. Подобно газам, плазма не имеет фиксированной формы или объема и менее плотна, чем твердые тела или жидкости. Но в отличие от обычных газов, плазма состоит из атомов, в которых часть или все электроны оторваны, а положительно заряженные ядра, называемые ионами, свободно перемещаются.

«Газ состоит из нейтральных молекул и атомов», — сказал Сюэдун Ху, профессор физики в Университете Буффало. То есть количество отрицательно заряженных электронов равно количеству положительно заряженных протонов.

«Плазма — это заряженный газ с сильными кулоновскими [или электростатическими] взаимодействиями», — сказал Ху в интервью Live Science. Атомы или молекулы могут приобретать положительный или отрицательный электрический заряд, когда они приобретают или теряют электроны. Этот процесс называется ионизацией. Плазма составляет солнце и звезды, и это наиболее распространенное состояние материи во Вселенной в целом.

(Кстати, плазма крови — это нечто совершенно другое. Это жидкая часть крови. Она на 92 процента состоит из воды и составляет 55 процентов объема крови, по данным Американского Красного Креста.)

Заряженные частицы

Типичный газ, такой как азот или сероводород, состоит из молекул с нулевым суммарным зарядом, что дает всему объему газа нулевой суммарный заряд. Плазма, состоящая из заряженных частиц, может иметь нулевой суммарный заряд по всему объему, но не на уровне отдельных частиц. Это означает, что электростатические силы между частицами в плазме становятся значительными, а также влияние магнитных полей.

Состоящая из заряженных частиц плазма может делать то, чего не могут газы, например проводить электричество. А поскольку движущиеся заряды создают магнитные поля, они могут быть и у плазмы.

В обычном газе все частицы ведут себя примерно одинаково. Итак, если вы поместите газ в контейнер и дайте ему остыть до комнатной температуры, все молекулы внутри будут в среднем двигаться с одинаковой скоростью, и если вы измерите скорость множества отдельных частиц, вы получите кривая распределения, при этом многие из них движутся вблизи среднего значения и лишь немногие особенно медленно или быстро. Это потому, что в газе молекулы, как бильярдные шары, ударяются друг о друга и передают энергию между собой.

Этого не происходит в плазме, особенно в электрическом или магнитном поле. Например, магнитное поле может создать популяцию очень быстрых частиц. Большинство плазмы недостаточно плотны, чтобы частицы могли очень часто сталкиваться друг с другом, поэтому магнитное и электростатическое взаимодействия становятся более важными.

Говоря об электростатических взаимодействиях, поскольку частицы в плазме — электроны и ионы — могут взаимодействовать посредством электричества и магнетизма, они могут делать это на гораздо больших расстояниях, чем обычный газ. Это, в свою очередь, означает, что волны становятся более важными при обсуждении того, что происходит в плазме. Одна из таких волн называется волной Альфвена в честь шведского физика и лауреата Нобелевской премии Ханнеса Альфвена. Альфвеновская волна возникает, когда магнитное поле в плазме возмущается, создавая волну, которая распространяется вдоль силовых линий. В обычных газах нет реального аналога этому. Возможно, альфвеновские волны являются причиной того, что температура солнечной короны — тоже плазмы — составляет миллионы градусов, а на поверхности — всего тысячи.

Еще одной характеристикой плазмы является то, что она может удерживаться на месте магнитными полями. Большинство исследований в области термоядерной энергетики сосредоточено именно на этом. Чтобы создать условия для синтеза, нужна очень горячая плазма — миллионы градусов. Поскольку ни один материал не может его содержать, ученые и инженеры обратились к магнитным полям, чтобы сделать эту работу.

Новое запатентованное устройство может использовать нагретый ионизированный воздух для остановки ударных волн, возникающих при взрывах. (Изображение предоставлено: Кхэн Гуан Тох / Shutterstock.com)

Плазма в действии

Одно место, где вы можете увидеть плазму в действии, это флуоресцентная лампочка или неоновая вывеска. В этих случаях газ (неон для вывесок) подвергается воздействию высокого напряжения, и электроны либо отделяются от атомов газа, либо выталкиваются на более высокие энергетические уровни. Газ внутри колбы становится проводящей плазмой. Возбужденные электроны, которые возвращаются на свои прежние энергетические уровни, испускают фотоны — свет, который мы видим в неоновой вывеске или люминесцентной лампе.

Плазменные телевизоры работают так же. Газ — обычно аргон, неон или ксенон — впрыскивается в герметичный зазор между двумя стеклянными панелями. Через газ проходит электрический ток, который заставляет его светиться. По данным eBay, плазма возбуждает красный, зеленый и синий люминофоры, которые в совокупности дают определенные цвета.

[На нашем родственном сайте TopTenReviews также обсуждается принцип работы плазменных телевизоров . ]

Другое применение плазмы — плазменные шары, наполненные смесями инертных газов, создающими цвета «молнии». внутри них, когда электрический ток ионизирует газ.

Другим примером плазмы являются полярные сияния, окружающие полюса, когда солнце особенно активно. Солнечный ветер представляет собой поток заряженных частиц (в основном протонов), которые попадают в магнитное поле Земли. Эти заряженные частицы следуют за линиями магнитного поля и движутся к полюсам, где они сталкиваются и возбуждают атомы в воздухе, в основном кислород и азот. Подобно неоновой вывеске, возбужденные атомы кислорода и азота испускают свет.

Подпишитесь на LiveScience в Твиттере @livescience . Мы также на Facebook и Google+ .

Дополнительные ресурсы

• Массачусетский технологический институт: Введение в физику плазмы
• IPPEX: Интернет-опыт обучения физике плазмы
• Plasmas.