Плазма
Что происходит с веществом при нагревании? Твердое тело сначала размягчается, потом начинает плавиться — превращается в жидкость.
Что такое плазма и её состояния
Продолжая подводить тепло, мы видим, как жидкость испаряется — вещество все отчетливее проявляет свою «зернистость», переходит в газообразное состояние. А что будет при более сильном нагреве? Оказывается, когда температура газа поднимется достаточно высоко, молекулы и атомы в нем начнут сталкиваться с такой силой, которая способна сокрушить их электронные оболочки. Для атома, разогнанного в нагретом газе до высокой энергии (по сравнению с той, которую атомы имеют при комнатной температуре, примерно 1/40 электрон-вольта), каждое столкновение — это микрокатастрофа, ужасная встряска, в результате которой атом может потерять один или несколько своих электронов. Такой процесс называется ионизацией, а газ, в котором носятся отдельно атомы, потерявшие электроны, отдельно электроны, — ионизированным, или плазмой.
Этот термин был введен в физику в 1928 году Ирвингом Ленгмюром — знаменитым американским химиком, физиком, изобретателем, Нобелевским лауреатом и к тому же бизнесменом-администратором (в течение многих лет Ленгмюр был директором одной из крупнейших американских компаний — «Дженерал Электрик»). И. Ленгмюр вместе со своим сотрудником Леви Тонксом изучали свойства электрических разрядов в газе. По существу, они воспроизвели те опыты, которые за полвека до них провел английский естествоиспытатель Уильям Крукс. Ленгмюр и Тонкс обнаружили, что «облако» электронов в разряде под действием внешних полей (а иногда и без них!) вдруг начинает колебаться как целое относительно облака ионов. Эти странные на первый взгляд коллективные колебания в газовом разряде ассоциировались у американских физиков с дрожанием желе, которое физиологи называли плазмой (в переводе с греческого это слово означает «вылепленная»). Так термин «плазма» перекочевал из физиологии в физику.
«Желеобразные» коллективные колебания плазмы теперь называют ленгмюровскими. Вообще коллективное поведение — это основное свойство плазмы. По мере того как с повышением температуры возрастает степень ионизации, то есть доля заряженных частиц в плазме, все большую роль начинают играть электромагнитные поля, возбуждаемые зарядами в плазме. Электромагнитные, в частности, кулоновские силы — дальнодействующие, поэтому при достаточно высокой ионизации в плазме не существует парных соударений. В плазме во взаимодействие всегда вовлекается большой коллектив частиц. Это обстоятельство делает ее объектом, сложным для теоретиков и капризным с точки зрения экспериментаторов. Теоретическое изучение плазмы сложно потому, что в ней доминируют многочастичные взаимодействия, при этом возникающие задачи существенно нелинейны, а в экспериментах плазма часто ведет себя непредсказуемо: в ней то и дело проявляются волновые движения и бурные неустойчивости. Именно неукротимый характер плазмы мешает осуществить реакцию управляемого термоядерного синтеза (УТС).
На иллюстрации изображена диаграмма «плотность — температура», где показаны основные разновидности природной и лабораторной плазмы. Классификация плазмы многоаспектна: плазма бывает классическая и квантовая, разреженная и плотная, низко- и высокотемпературная, релятивистская, вырожденная и т. д. И хотя на диаграмме границы между разными областями очень отчетливы, на самом деле они условны и сильно размыты. Один из критериев, позволивших разбить всю диаграмму на цветные зоны, — это условие идеальности плазмы. В теории плазмы очень важным параметром служит дебаевский радиус, rD (по имени американского физика голландского происхождения П. Дебая). Его величина rD=(T/ne2)1/2, где n — средняя плотность частиц в плазме, а Т — ее температура, характеризует размеры электронного облака, притягиваемого в плазме положительным ионом. Это облако становится для иона электростатическим экраном: кулоновские силы заряда не выходят за пределы дебаевского шарика. Границу неидеальности плазмы можно записать в виде nrD3=1. Большинство разновидностей плазмы (космическая, газоразрядная, термоядерная и т. д.) можно считать идеальными и классическими — они попадают в область, лежащую выше прямой nrD3=1. Ниже этой прямой плазма скорее напоминает не газ, а жидкость. Если и дальше повышать плотность плазмы, то можно ожидать ее «металлизации». Как только плотность увеличится до такой степени, что длина волны де Бройля, характеризующая квантовую «размазку» микрочастиц, станет больше среднего расстояния между электронами, на первый план выступают квантовые свойства. Это так называемая квантовая вырожденная плазма. Основной масштаб кинетической энергии в ней — энергия Ферми EF. При EF>e2n1/3 квантовая вырожденная плазма снова становится идеальной: энергия кулоновского взаимодействия мала по сравнению с кинетической энергией электронов.
С. Панкратов
Наука и Жизнь №11 1986 год
Admin-uzzer September 13 2023 161 прочтение
0 комментариев
Печать
Комментариев нет.