Притяжение разных заряженных электронов и ионов в плазме

Размещено на http: //www. allbest. ru/

1. Плазма как состояние вещества

Известно, что по мере нагревания твёрдое вещество сначала превращается в жидкость в процессе плавления, а затем жидкость испаряется, превращаясь в газ. Менее известно, что будет происходить с газом при дальнейшем нагревании. Ясно, что с увеличением энергии хаотического движения молекул газа их столкновения друг с другом будут вызывать всё более разрушительные последствия для самих молекул. Сначала молекулы диссоциируют на составляющие их атомы, а затем и сами атомы ионизуются, т. е. разбиваются на отрицательно заряженные электроны и положительно заряженные ионы. Таким образом, при нагревании любого вещества оно в конце концов превращается в ионизованный газ.

От обычного газа электрически нейтральных атомов и молекул он отличается необычными свойствами, в связи с чем английский химик Уильям Крукс (William Crookes) назвал предмет своих исследований четвёртым состоянием вещества. Сэр Крукс экспериментировал с так называемыми катодными лучами, которые получал, пропуская электрический ток через стеклянные трубки с частично откачанным воздухом.

После открытия электрона сэром Дж.Дж.Томсоном (Joseph John Thomson, 1897) стало понятно, что катодные лучи представляют собой поток ускоренных электронов в слабоионизованном газе. Сэр Крукс отчасти был мистиком. Он считается основателем спиритизма, так что сейчас лучше не углубляться в мотивы, которые побудили его выдвинуть гипотезу четвёртого состояния вещества. История сохранила точную дату -- 22 августа 1879 г., когда в лекции «Излучающее вещество» сэр Крукс назвал катодные лучи четвёртым состоянием вещества. Термин плазма применительно к ионизованному газу был введён американским физиком Ирвингом Ленгмюром (Irving Langmuir) почти на полвека позже.

В отличие от фазовых переходов первого рода, таких как плавление и испарение, ионизация газа не сопровождается пространственным разделением фаз. Степень ионизации ni/n0, характеризуемая отношением плотности ионов ni к начальной плотности нейтральных атомов n0, увеличивается во всём объёме газа плавно по мере увеличения температуры. В пламени свечи имеется небольшое количество свободных электронов и ионов, но его едва ли можно считать настоящей плазмой, так же, как и атмосферный воздух, где всегда имеется некоторое количество ионов и свободных электронов за счёт ионизации космическими лучами.

Строгое определение состояния вещества, которое можно назвать плазмой, должно включать количественный критерий, когда ионизованный газ приобретает специфические свойства плазмы. Чтобы найти этот критерий, нужно прежде всего понять, чем новое состояние вещества отличается от обычного газа. Главная особенность коллектива заряженных частиц, составляющих плазму, состоит в появлении нового типа взаимодействия частиц этого коллектива -- через дальнодействующие электрические и магнитные поля. Именно благодаря дальнему действию электрических и магнитных сил газ заряженных частиц приобретает новые свойства, образуя нечто целое с электромагнитным полем. Это коллективное (говорят также -- самосогласованное) поле, с одной стороны, создаётся заряженными частицами плазмы, а с другой -- существенным образом влияет на их движение.

2. Квазинейтральность

Самосогласованное поле, если оно достаточно сильное, делает ионизованный газ квазинейтральным. Квазинейтральностью называют приближённое равенство плотности электронов ne и ионов ni, так что вещество в целом электрически нейтрально. В более общем случае, когда атомы ионизованы многократно, в среднем Z раз каждый, квазинейтральность означает, что

ne ? Zni. (1)

При достаточно большой плотности электронов и ионов даже малое пространственное разделение зарядов в ионизованном газе привело бы к возникновению очень сильных электрических полей, препятствующих разделению. Как следствие этого при любых внешних полях «естественной» величины плотности электронов и ионов оказываются близкими друг к другу, а смесь электронов и ионов сохраняет квазинейтральность даже при весьма бурно протекающих в ней процессах. Напротив, при малой плотности заряженных частиц квазинейтральность разрушится, даже если вначале приготовить электрически нейтральную смесь ионов и электронов. Вследствие хаотического теплового движения более лёгкие электроны быстро разлетятся, оставив позади более тяжёлые ионы, если электрическое притяжение разно-заряженных электронов и ионов недостаточно велико.

3. Определение плазмы

Квазинейтральный газ заряженных частиц называют плазмой. В наиболее распространённом случае плазма состоит из электронов и положительно заряженных ионов. В плазме могут присутствовать также нейтральные атомы. Если их доля значительна, плазму называют слабоионизованной. Если доля нейтральных атомов пренебрежимо мала, то говорят о полностью ионизованной плазме. Существует также понятие простой плазмы, применяемое при построении теоретических моделей. Так называют плазму, состоящую из электронов и ионов, произведённых из атомов одного химического элемента, которые потеряли по одному атомарному электрону. Плазму с многократно ионизованными ионами (потерявшими много электронов) называют лоренцевой. Важно понимать, что квазинейтральность есть не изначальная характеристика плазмы, а всего лишь её свойство, вытекающее из главенствующей роли коллективного взаимодействия частиц через самосогласованное поле. При определённых условиях сгусток заряженных частиц одного сорта (например, только электронов) может обладать свойствами, присущими квазинейтральной плазме. В этом контексте такой сгусток называют заряженной плазмой.

4. Генезис физики плазмы

В переводе с греческого языка слово рлґбуµб означает лепную фигуру, пластичную массу наподобие воска. Если кровь очистить от красных кровяных тел, останется прозрачная желтоватая жидкость, составляющая примерно 60% объёма крови. Эту жидкость чешский медик Ян Пуркине (Jan Purkine) назвал плазмой ещё до начала исследований ионизованного газа (около 1848 г.). В физику термин плазма ввёл американский учёный Ирвинг Ленгмюр (Irving Langmuir). Так Ленгмюр назвал ту часть тлеющего газового разряда, где плотности ионов и электронов велики, но по существу равны. Сохранилось свидетельство Леви Тонкса (Lewi Tonks), что однажды Ленгмюр спросил его, как назвать электрически нейтральную часть газового разряда. Тонкс, по его собственному признанию, дал классический ответ: «Надо подумать, доктор Ленгмюр». На следующий день Ленгмюр «влетел» в лабораторию со словами: «Мы назовём это -- плазма!». Более поздние исследователи, изучив этимологию слова плазма, предположили, что Ленгмюр находился под впечатлением такого легко наблюдаемого свойства тлеющего разряда, как изменение его формы в соответствии с формой газоразрядной трубки, и выбрал подходящее греческое слово. Однако Леви Тонкс вспоминал, что при первых словах Ленгмюра ему тут же представилась картина крови. Другой участник тех событий, Гарольд Мотт-Смит (Harold Mott-Smith), также припоминал, что Ленгмюр указывал на сходство между переносом красных и белых кровяных клеток плазмой крови и движением частиц в электрически нейтральной части разряда. Непосредственные свидетели описываемых событий слегка расходятся относительно даты, когда Ленгмюр отыскал слово плазма. Мотт-Смит указывает 1927 г., а Тонкс настаивает, что впервые это слово упоминается в рукописи статьи Ленгмюра «Осцилляции в ионизованных газах», опубликованной в трудах Национальной академии наук в 1928 г. Версия Тонкса кажется более правильной, так как в науке дату открытия принято отсчитывать с момента публикации авторами материалов в научном журнале. Не вызывает сомнений, что Ленгмюр целенаправленно искал подходящее слово. Будучи очень плодовитым автором, он ежегодно публиковал множество статей. Едва ли рукописи подолгу лежали на его рабочем столе. Можно предположить, что именно в процессе работы над текстом упомянутой статьи Ленгмюр искал и нашёл слово плазма. Как писал Мотт-Смит, все участники тех событий понимали, что честь открытия достанется не тому, кто его сделал, а тому, кто дал ему имя. «И свидетельством тому -- весь континент», открытый Христофором Колумбом (Christґоbal Colґоn), а названный в честь Америго Веспуччи (Amґerigo Vespucci). Поэтому днём рождения физики плазмы следует считать день 21 июня 1928 г., когда редакция журнала получила статью Ленгмюра. Многие авторитетные издания относят рождение физики плазмы к 1923 г., когда Ленгмюр изобрёл зонд для измерения плотности и температуры ионизованного газа, начав систематическое исследование газового разряда. Однако потребовалось ещё несколько лет, чтобы обнаружить, а затем и объяснить такое фундаментальное проявление коллективных свойств плазмы, как потенциальные плазменные колебания, которые теперь, как и зонд, называют ленгмюровскими.

Мотт-Смит вспоминал, что долгое время им докучали медицинские журналы просьбами прислать оттиски статей. Физики и химики косо поглядывали на неуклюжее слово и не спешили заимствовать его, а инженеры воспринимали Plasma как торговую марку корпорации General Electric, где работал Ленгмюр. Потребовалось 20 лет, чтобы термин плазма в применении к ионизованному газу стал общепринятым. Ленгмюр и его сотрудники экспериментировали со слабо ионизованной плазмой. Сейчас плазмой преимущественно называют полностью ионизованный газ. В 1929 г. увидели свет несколько статей Ленгмюра, из которых наиболее известна его работа с Тонксом, опубликованная в Physical Review под тем же названием «Осцилляции в ионизованных газах». Там в завершённом виде изложена теория ленгмюровских колебаний. Слово квазинейтральность придумал Вальтер Шотки (Walter Schottky) в 1924 г. Тонкс и Ленгмюр впервые используют этот термин в своей второй статье 1929 г., отмечая, что Шотки постулировал квазинейтральность, тогда как в их теории она получала естественное обоснование. В той же статье слово плазма впервые употребляется в заголовке.

5. Практические формулы

В практических вычислениях удобной единицей измерения температуры T является электронвольт: 1эВ = 1,6022Ч10-12 эрг = 11604К. Плотность плазмы n обычно выражают в числе частиц того или иного сорта (электронов или ионов) на кубический сантиметр (см?3), длину l, L, л -- в сантиметрах (см) , время t -- в секундах (с), круговую частоту щ в радианах в секунду (с?1), а линейную частоту

н = щ/(2р)

-- в герцах(Гц). Для вычисления дебаевской длины и ленгмюровской частоты удобны «практические» формулы, где коэффициенты из мировых констант преобразованы в числа:

щp = 5,64Ч104 n1/2,

лD = 7,43Ч102 T1/2/n1/

6. Плазма в природе

Нередко можно слышать, что 99,9% вещества во Вселенной находится в состоянии плазмы. Вероятно, эта оценка сильно завышена, так как недавние исследования убедили астрофизиков в существовании «тёмной массы», природа которой в настоящее время неясна. Известно только, что она оказывает гравитационное воздействие на расширение Вселенной и движение далёких галактик. Однако звёзды, их атмосферы, газовые туманности и значительная часть межзвёздного газа действительно находятся в ионизованном состоянии. В непосредственном окружении нашей планеты, за пределами земной атмосферы, космические аппараты сталкиваются с плазмой радиационных поясов и солнечного ветра. Для эффективной ионизации вещества его температура, как можно предположить, должна приближаться к энергии ионизации отдельного атома, а последняя по порядку величины составляет 10эВ, что соответствует температуре 100000К. Позднее мы узнаем, что чем меньше плотность вещества, тем ниже температура, требуемая для ионизации, но всё равно условия существования плазмы несовместимы с условиями развития биологической жизни. В повседневной жизни наши встречи с плазмой ограничиваются редкими природными явлениями, такими, как вспышка молнии, свечение полярного сияния, и некоторыми техническими устройствами наподобие неоновой рекламы или сварочной дуги.

Иногда плазму подразделяют на низко-температурную (T < 10 эВ) и высокотемпературную (T > 10эВ). Такое деление до некоторой степени условно. Оно всего лишь отражает тот факт, что в лабораторных условиях высокотемпературная водородная плазма полностью ионизована, тогда как в низкотемпературной плазме обычно велика доля нейтральных атомов. Однако межзвёздная плазма полностью ионизована уже при температуре 1эВ. Для ориентировки в порядках величин в табл. 1.1 приведены типичные параметры плазмы, встречающейся в различных устройствах, в числе которых устройства управляемого термоядерного синтеза (УТС), и в природных объектах.

7. Газовый разряд

Исследования Ленгмюра и Тонкса в 20-х годах XX века были стимулированы разработкой вакуумных электронных ламп, которые могли пропускать большие токи, а для этого лампы нужно наполнять ионизованным газом. Сейчас бы мы сказали, что Ленгмюр с сотрудниками исследовал низкотемпературную плазму в газовом разряде низкого давления. Когда к газовому промежутку прикладывается высокое напряжение, происходит пробой: газ частично ионизуется, и образовавшиеся электроны и ионы, двигаясь в направлении разнополярных электродов, создают разрядный ток. В экспериментах Ленгмюра был получен тлеющий разряд с температурой электронов Te ? 2эВ и плотностью 108 см?3 < n < 1012 см?3. Газовый разряд можно повсеместно наблюдать в лампах дневного света и грозовых разрядах, в ртутных выпрямителях и водородных тиратронах, электрических дугах и неоновых лампах (рис. 1.3). Газовый разряд составляет физический фундамент бурно развивающейся отрасли плазменной обработки материалов. Плазменные технологии используются для упрочения поверхностей металлов и нанесения покрытий на различные материалы. Имплантация ионов и плазменное травление поверхностей вытесняют химическое травление в микроэлектронной промышленности. Существуют маломощные электроракетные двигатели на основе магнитогидродинамических ускорителей плазмы и разрабатываются более мощные.

Тлеющий разряд в неоне; квазинейтральная светящаяся часть разряда занимает всё доступное пространство трубки, заполненной частично ионизованным газом; свечение газа обусловлено излучением спектральных линий атомов неона при столкновении с электронами (фото Pslawinski)

8. Околоземное пространство

Развитие радиовещания в первой половине XX века привело к обнаружению земной ионосферы -- слоя частично ионизованного газа в верхних слоях атмосферы, который отражает радиоволны. Ионосферу открыл Эдвард Эплтон (Edward Appleton) в 1924 г. Она простирается по высоте от 60 км до 400 км, заполнена слабоионизованной плазмой, плотность которой изменяется с высотой от 102-103 см?3 до 105-106 см?3. Температура ионосферной плазмы составляет всего 0,1 эВ. Благодаря отражению от ионосферы стала возможной передача радиосигнала за видимый горизонт. Ионосфера не только отражает и частично поглощает радиоволны, но и искажает форму радиосигнала, так как в магнитном поле Земли волны с разной поляризацией распространяются в ионосфере с разной скоростью. В результате появляются помехи в виде запаздывающего или опережающего эха. Следующей вехой в изучении околоземной плазмы стало открытие радиационных поясов Земли. На основе данных счётчика Гейгера, переданных первым американским космическим спутником Explorer, запущенным 31 января 1958г., Джеймс Ван Аллен (James van Allen) обнаружил внутренний радиационный пояс. На втором советском искусственном спутнике Земли было установлено два газоразрядных счётчика. С 3 по 9 ноября 1957г. были получены данные об интенсивности излучений над территорией СССР на высотах 225-700 км. Третий советский спутник, запущенный 15 мая 1958г., обнаружил внешний радиационный пояс Земли. За открытие радиационных поясов Земли в 1960 г. руководителю программы геофизических измерений С. Н. Вернову была присуждена Ленинская премия, но мировая слава досталась Ван Аллену. Он первым понял, что счётчик Гейгера зафиксировал тормозное излучение электронов в магнитном поле Земли, хотя поначалу решил, что «космос радиоактивен». Сейчас установлено, что радиационные пояса состоят из заряженных частиц, захваченных магнитным полем Земли. Внутренний радиационный пояс на высоте примерно от 700 до 10000 км преимущественно удерживает протоны с энергией до 100 МэВ и электроны с энергией до 100кэВ. Внешний радиационный пояс на высоте от 13000 до 65000 км состоит преимущественно из электронов с энергией в 0,1-10 МэВ. С поверхности Солнца непрерывно стекает поток плазмы, называемый солнечным ветром. На орбите Земли плотность частиц в солнечном ветре составляет 5см^?3, температура ионов 10эВ, температура электронов 50эВ, скорость солнечного ветра 300км/с. Земная магнитосфера защищает обитателей Земли от губительных воздействий солнечного ветра, деформируясь под его давлением. Время от времени на поверхности Солнца происходят вспышки. При каждой вспышке в космос выплёскивается кратковременный сгусток заряженных частиц. Попадая в атмосферу Земли вблизи магнитных полюсов, эти частицы вызывают полярные сияния и магнитные бури, приводящие к нарушению длинноволновой радиосвязи (рис. 1.4).

Полярное сияние на Аляске 18 января 2005 г.; свечение создаётся потоками солнечных частиц, сталкивающихся с газами в атмосфере Земли (фото Joshua Strang)

11. Астрофизика

Астрономы быстро поняли, что для лучшего понимания астрофизических явлений необходимо привлечь представления, позаимствованные из физики плазмы. Пионером в этой области был шведский физик Ханс Альфвен (Hannes Alfvґen). В1940 г. Он написал систему уравнений магнитной гидродинамики и предсказал существование магнитогидродинамических волн. Теория Альфвена, которую для краткости называют теорией МГД, выдержала проверку временем и сейчас широко используется как для объяснения астрофизических явлений, так и для лабораторных экспериментов по удержанию и нагреву плазмы. Ядра и атмосферы звёзд настолько горячи, что находятся в плазменном состоянии (рис. 1.5), хотя плотность вещества в ядрах звёзд может превышать плотность твёрдых тел. Температура в центре Солнца равна 1,4кэВ, а плотность -- 160г/см3. Солнечная корона, напротив, представляет собой разреженную плазму с плотностью (концентрацией) порядка 3Ч108 см?3 и температурой до 200эВ. Межзвёздная среда содержит ионизованный водород с температурой 1эВ и плотностью 1см?3, который пронизан космическими лучами, т. е. потоком частиц и фотонов с очень большой энергией.

Излучающая газовая туманность NGC 604 в спиральной ветви галактики Triangulum, расположенной в северном полушарии вблизи созвездий Персея и Овена на расстоянии 2,4 миллиона световых лет; эта газовая туманность имеет поперечный размер 1500 световых лет, содержит более 200 горячих звёзд, каждая из которых массивнее Солнца в 15-60 раз (фото NASA)

12. Управляемый термоядерный синтез

Рождение физики высокотемпературной плазмы относят к началу 50-х гг. XX в., когда была выдвинута идея создания термоядерного реактора на основе управления реакциями синтеза, аналогичными тем, которые питают энергией Солнце и другие звёзды, а также протекают при взрыве термоядерной (водородной) бомбы. Ещё до того, как в США и СССР в 1952 и 1953 гг. соответственно были проведены испытательные взрывы первых термоядерных бомб, в обстановке строгой секретности были начаты работы по управляемому термоядерному синтезу (УТС), прокладывающему дорогу к мирному применению реакций синтеза. В1958 г. Эти работы были рассекречены и вскоре опубликованы. Теоретическая физика плазмы как строгая математическая дисциплина возникла именно в эти годы. Неудивительно, что физика плазмы в представлении многих людей ассоциируется прежде всего с проблемой УТС, которая в определённом смысле не решена до сих пор. В недрах звёзд ядерное топливо при температуре и плотности, необходимых для протекания реакций синтеза, удерживается гравитационным полем. Управляемый термоядерный синтез, процесс слияния лёгких атомных ядер, происходящий с выделением энергии при высоких температурах в регулируемых, управляемых условиях. Скорости протекания термоядерных реакций малы из-за кулоновского отталкивания (см. Кулона закон) положительно заряженных ядер. Поэтому процесс синтеза идёт с заметной интенсивностью только между лёгкими ядрами, обладающими малым положительным зарядом и только при высоких температурах, когда кинетическая энергия сталкивающихся ядер оказывается достаточной для преодоления кулоновского потенциального барьера. В природных условиях термоядерные реакции между ядрами водорода (протонами) протекают в недрах звёзд, в частности во внутренних областях Солнца, и служат тем постоянным источником энергии, который определяет их излучение. Сгорание водорода в звёздах идёт с малой скоростью, но гигантские размеры и плотности звёзд обеспечивают непрерывное испускание огромных потоков энергии в течение миллиардов лет. С несравненно большей скоростью идут реакции между тяжёлыми изотопами водорода (дейтерием 2H и тритием 3H) с образованием сильно связанных ядер гелия: плазма квазинейтральный электрон термоядерный

.

Литература

1. https://refdb.ru/look/1519743.html

2. Лекции по физике плазмы / И. А. Котельников. -- М. : БИНОМ. Лаборатория знаний, 2014. -- 384 с. : ил.

Размещено на Аllbest.ru