Be pirmiau išvardytų trijų būsenų, medžiaga gali būti ketvirtoje agregacijos būsenoje – plazma , kuris buvo atrastas palyginti neseniai. Plazmos būsena susidaro, kai dujinės būsenos medžiaga yra veikiama tokių stiprių jonizuojančių veiksnių kaip itin aukšta temperatūra (keli milijonai laipsnių), galingos elektros iškrovos ar elektromagnetinė spinduliuotė. Tokiu atveju medžiagos molekulės ir atomai sunaikinami ir paverčiami mišiniu, susidedančiu iš teigiamai įkrautų branduolių ir milžinišku greičiu judančių elektronų. Dėl šios priežasties plazma kartais vadinama elektronų-branduolinėmis dujomis.

Plazma yra dviejų tipų: izoterminė ir dujų išlydžio.

Izoterminė plazma Jis gaunamas esant aukštai temperatūrai, kuriai veikiant vyksta terminė medžiagos atomų disociacija, ir gali egzistuoti neribotą laiką. Šio tipo plazma yra žvaigždžių, taip pat kamuolinio žaibo medžiaga. Žemės jonosfera taip pat yra ypatinga plazmos rūšis; tačiau šiuo atveju jonizacija vyksta veikiant Saulės ultravioletinei spinduliuotei.

Izoterminė plazma atlieka itin svarbų vaidmenį kosminiuose procesuose. Išimtys yra kitos trys agreguotos materijos būsenos kosminėje erdvėje.

Dujų išlydžio plazma susidaro elektros iškrovos metu ir todėl yra stabilus tik esant elektriniam laukui. Kai tik nutrūksta išorinio lauko veikimas, dujų išlydžio plazma dėl neutralių atomų susidarymo iš jonų ir elektronų išnyksta per 10 –5 –10 –4 s.

Viena iš nuostabių plazmos savybių yra jos didelis elektros laidumas. Kuo aukštesnė plazmos temperatūra, tuo didesnis jos laidumas. Dėl šios priežasties per plazmą gali praeiti šimtų tūkstančių ir milijonų amperų srovės.

Praleidus tokias sroves per plazmą, jos temperatūrą galima pakelti iki dešimčių ar net šimtų milijonų laipsnių, o slėgį – iki dešimties gigapaskalių. Žinoma, kad tokios sąlygos yra artimos laikymui termobranduolinės sintezės reakcijos , kurios gali pagaminti milžiniškus energijos kiekius.

Kaip žinia, energija išsiskiria ne tik dalijantis branduoliams, bet ir jiems susiliejant, t.y., lengvesniems branduoliams lyjant į sunkesnius. Šiuo atveju užduotis yra įveikti elektrinį atstūmimą ir priartinti šviesos branduolius prie pakankamai mažų atstumų, kur tarp jų pradeda veikti branduolinės traukos jėgos. Taigi, pavyzdžiui, jei būtų įmanoma priversti du protonus ir du neutronus susijungti į helio atomo branduolį, tada išsiskirtų didžiulė energija. Įkaitinus iki aukštos temperatūros dėl įprastų susidūrimų, branduoliai gali priartėti prie tokių mažų atstumų, kad įsijungia branduolinės jėgos ir įvyksta sintezė. Pradėjus sintezės procesą, kaip rodo skaičiavimai, galima gauti tiek šilumos, kiek reikia aukštai temperatūrai, reikalingai tolesniam branduolių sintezei palaikyti, t.y. procesas tęsis nuolat. Taip gaunamas toks galingas šiluminės energijos šaltinis, kad jo kiekį galima kontroliuoti tik reikiamu medžiagų kiekiu. Tai yra kontroliuojamos termobranduolinės sintezės reakcijos esmė.

Kai elektros srovė praeina per plazmą, ji sukuria stiprų magnetinį lauką, kuris suspaudžia elektronų ir jonų srautą į plazminis laidas Taip pasiekiama plazmos šiluminė izoliacija nuo indo sienelių. Didėjant srovei, plazmos elektromagnetinis suspaudimas tampa ryškesnis. Tai yra vadinamojo esmė žiupsnelio efektas .Kaip parodė tyrimai, suspaudimo efektas ir išorinių magnetinių laukų sukuriamos jėgos, besikeičiančios pagal tam tikrą dėsnį, gali būti sėkmingai panaudotos plazmai laikyti „magnetiniame butelyje“, kuriame vyksta sintezės reakcija.

CHEMINĖS RYŠIO TEORIJA

Bendrosios cheminių ryšių doktrinos nuostatos. Kovalentinis ryšys

Cheminės jungties sąvoka yra viena iš pagrindinių šiuolaikiniame moksle. Nežinant atomų sąveikos pobūdžio, neįmanoma suprasti cheminių junginių susidarymo mechanizmo, jų sudėties ir reaktyvumo, o juo labiau – numatyti naujų medžiagų savybių.

Pačias pirmąsias ir ne visai aiškias idėjas apie cheminius ryšius Kekulė pristatė 1857 m. Jis atkreipė dėmesį, kad atomų, prijungtų prie kito elemento atomo, skaičius priklauso nuo sudedamųjų dalių baziškumo .

Pirmą kartą terminą „cheminis ryšys“ įvedė A.M. Butlerovas 1863 m. Kuriant cheminių ryšių doktriną, didelį vaidmenį suvaidino jo cheminės struktūros teorija, pasiūlyta 1861 m. Tačiau suformulavęs pagrindines teorijos nuostatas, Butlerovas dar nevartojo termino „cheminis ryšys “. Jo mokymo principai yra tokie:

1. Atomai molekulėse yra susijungę vienas su kitu tam tikra seka. Pakeitus šią seką, susidaro nauja medžiaga su naujomis savybėmis.

2. Atomų ryšys vyksta pagal jų valentiškumą.

3. Medžiagų savybės priklauso ne tik nuo sudėties, bet ir nuo jų „cheminės struktūros“, t.y. apie atomų jungimosi tvarką molekulėse ir jų tarpusavio įtakos pobūdį.

Taigi medžiagų savybes lemia ne tik jų kokybinė ir kiekybinė sudėtis, bet ir vidinė molekulių sandara.

1863 m. savo darbe „Apie įvairius kai kurių izomerijos atvejų paaiškinimus“ Butlerovas jau kalbėjo apie „cheminio ryšio tarp atomų metodą“, apie „atskirų atomų cheminį ryšį“.

Ką reiškia terminas „cheminė jungtis“?

Galima pateikti daugybę šios sąvokos apibrėžimų, tačiau akivaizdžiausias iš jų yra tas cheminis ryšys – tai sąveika, kuri vyksta tarp atomų formuojantis medžiagoms.

Mokslinis cheminio ryšio prigimties paaiškinimas galėjo atsirasti tik atsiradus doktrinai apie atomo sandarą. 1916 m. amerikiečių fizinis chemikas Lewisas pasiūlė, kad cheminė jungtis atsiranda suporuojant elektronus, priklausančius skirtingiems atomams. Ši idėja buvo šiuolaikinio atspirties taškas kovalentinio cheminio ryšio teorija .

Tais pačiais metais vokiečių mokslininkas Koselis pasiūlė, kad sąveikaujant dviem atomams vienas iš jų pasiduoda, o kitas priima elektronus. Dėl elektrostatinės susidariusių jonų sąveikos susidaro stabilus junginys. Kosselio idėjų plėtra paskatino kurti joninio ryšio teorija .

Bet kokiu atveju cheminis ryšys yra elektrinės kilmės, nes galiausiai yra dėl elektronų sąveikos.

Viena iš cheminio ryšio atsiradimo priežasčių yra atomų noras įgyti stabilesnę būseną. Būtina cheminio ryšio susidarymo sąlyga yra sąveikaujančių atomų sistemos potencialios energijos sumažėjimas.

Vykstant cheminėms reakcijoms, atomų branduoliai ir vidiniai elektronų apvalkalai nepasikeičia. Cheminis ryšys vyksta sąveikaujant elektronams, kurie yra toliausiai nuo branduolio, vadinami valentingumas .

Valentiniai elementai yra: s-elementams - išorinio energijos lygio s-elektronai, p-elementams - išorinio energijos lygio s- ir p-elektronai, d-elementams - išorinio energijos lygio s-elektronai ir d-elektronai. iš anksto išorinių energijos lygių, f-elementams - išorinio s-elektronai ir trečiojo išorinio energijos lygio f-elektronai.

Paprastai yra penki pagrindiniai cheminio sujungimo tipai: joninis, kovalentinis, metalinis, vandenilis, ir tarpmolekulinės sąveikos , kurį sukelia van der Waals jėgos, o pirmieji trys ryšio tipai yra žymiai stipresni nei paskutiniai du.

Šiuolaikinė cheminio ryšio doktrina remiasi kvantinės mechanikos koncepcijomis. Šiuo metu cheminiams ryšiams apibūdinti plačiai naudojami du metodai: valentinio ryšio metodas(MVS) ir molekulinės orbitos metodas(MMO).

BC metodas yra paprastesnis ir vizualesnis, todėl nuo jo pradėsime svarstyti cheminio ryšio teoriją.

Panagrinėkime labiausiai paplitusią kovalentinę cheminę jungtį.

Valentinės jungties metodas

BC metodas pagrįstas šiomis nuostatomis.

1. Kovalentinį cheminį ryšį sudaro du elektronai su priešingais sukiniais, ir ši elektronų pora vienu metu priklauso dviem atomams. Patys atomai išlaiko savo individualumą.

2. Kovalentinis cheminis ryšys yra stipresnis, kuo labiau persidengia sąveikaujantys elektronų debesys.

Plačiąja to žodžio prasme kovalentinis ryšys yra cheminis ryšys tarp atomų, vykstantis dalijantis elektronais. Kovalentinis ryšys gali būti laikomas universaliu, labiausiai paplitusiu cheminio ryšio tipu.

Norint tiksliai apibūdinti elektrono būseną molekulėje, reikia išspręsti atitinkamos elektronų ir branduolių sistemos Schredingerio lygtį, nurodant minimalios energijos sąlygą. Tačiau šiuo metu išspręsti Schrödingerio lygtį įmanoma tik pačioms paprasčiausioms sistemoms. Pirmąjį apytikslį elektronų bangos funkcijos apskaičiavimą 1927 metais Heitleris ir Londonas atliko vandenilio molekulei.

Ryžiai. 4.1. Dviejų vandenilio atomų sistemos energijos priklausomybė nuo

tarpbranduolinis atstumas elektronams su lygiagrečiais (1) ir

antiparaleliniai (2) sukimai.

Dėl savo darbo jie gavo lygtį, susiejančią potencialią sistemos energiją su atstumu tarp dviejų vandenilio atomų branduolių. Paaiškėjo, kad skaičiavimo rezultatai priklauso nuo to, ar abiejų elektronų sukiniai yra vienodo ar priešingo ženklo.

Esant lygiagrečiam sukimui, atomų artėjimas lemia nuolatinį sistemos energijos padidėjimą. Su priešingos krypties sukimais atomai artėja vienas prie kito iki tam tikro atstumo r 0 lydi sistemos energijos mažėjimas, po kurio ji vėl pradeda didėti (4.1 pav.).

Taigi, jei elektronų sukiniai yra lygiagretūs, cheminis ryšys susidaro ne dėl energetinių priežasčių, o esant priešingos krypties elektronų sukimuisi, susidaro H2 molekulė - stabili dviejų vandenilio atomų sistema, atstumas tarp kurių branduoliai yra r 0 .

Tai yra atstumas r 0 žymiai mažesnis nei du kartus didesnis už atomo spindulį (vandenilio molekulei - atitinkamai 0,074 ir 0,106 nm), todėl susidarius cheminiam ryšiui atsiranda elektronų debesų ir reaguojančių atomų tarpusavio sutapimas (3.2 pav.).

Ryžiai. 4.2. Elektronų debesų persidengimo susiformavimo metu schema

vandenilio molekulės

Dėl debesų persidengimo didėja elektronų tankis tarp branduolių, didėja traukos jėgos tarp šios neigiamo krūvio srities ir sąveikaujančių atomų teigiamai įkrautų branduolių. Patrauklių jėgų padidėjimą lydi energijos išsiskyrimas, dėl kurio susidaro cheminis ryšys.

Vaizduojant struktūrines formules, ryšys žymimas brūkšniu arba dviem taškais (taškas žymi elektroną):

N – N N: N

Nagrinėjamu atveju elektronai, esantys vandenilio atomų s-orbitalėse, yra dalijami. Vandenilio atomas neturi kitų elektronų. Pavyzdžiui, halogenų atveju kiekvienas sąveikaujantis atomas taip pat turi tris poras elektronų išoriniame energijos lygyje, kurie nedalyvauja formuojant cheminį ryšį (du s-elektronai ir keturi p-elektronai):

Cheminis ryšys F2 molekulėje susidaro dėl nesuporuotų elektronų, esančių atominėse p-orbitalėse, sąveikos, likę elektronai nedalyvauja formuojant cheminį ryšį (jie dažnai vadinami vienišomis elektronų poromis).

Tik vienas elektronas iš kiekvieno atomo dalyvauja formuojant H 2 ir F 2 molekules. Kovalentinis ryšys, kurį sudaro viena elektronų pora, vadinamas viengungis bendravimas

Dviejų ar trijų elektronų porų sudarytas ryšys vadinamas daugkartinis bendravimas Taigi, deguonies ir azoto atomuose yra atitinkamai du ir trys nesuporuoti elektronai:

Vadinasi, atitinkamai du arba trys elektronai iš kiekvieno atomo dalyvauja formuojant O 2 ir N 2 molekules. Taigi ryšys deguonies molekulėje yra dvigubas, o azoto molekulėje - trigubas:

Kaip galima sukurti daugialypį ryšį? Ar šiais atvejais visi ryšiai yra vienodi? Norėdami atsakyti į šį ir kitus susijusius klausimus, turėtume apsvarstyti pagrindines kovalentinio ryšio savybes.

Ir kiti. Agregacijos būsenos pasikeitimą gali lydėti staigus laisvosios energijos, entropijos, tankio ir kitų pagrindinių fizinių savybių pasikeitimas.

Yra žinoma, kad bet kuri medžiaga gali egzistuoti tik vienoje iš trijų būsenų: kieta, skysta arba dujinė, kurių klasikinis pavyzdys yra vanduo, kuris gali būti ledo, skysčio ir garų pavidalo. Tačiau, jei paimtume visą Visatą kaip visumą, yra labai mažai medžiagų, kurios yra šiose laikomos neginčijamos ir plačiai paplitusios būsenos. Mažai tikėtina, kad jie viršys tai, kas laikoma nereikšmingais chemijos pėdsakais. Visa kita materija Visatoje yra vadinamojoje plazminėje būsenoje.

1. Kas yra plazma?

Žodis „plazma“ (iš graikų „plazma“ - „susiformavo“) XIX a.

V. pradėta vadinti bespalve kraujo dalimi (be raudonų ir baltų kūnų) ir

skystis, kuris užpildo gyvas ląsteles. 1929 metais amerikiečių fizikai Irvingas Langmuiras (1881–1957) ir Levi Tonko (1897–1971) pavadino jonizuotas dujas dujų išlydžio vamzdžio plazmoje.

Anglų fizikas Williamas Crookesas (1832-1919), studijavęs elektrą

išleidimas į vamzdelius su retėjančiu oru, rašė: „Reiškiniai evakuoti

vamzdžiai atveria naują pasaulį fiziniam mokslui, kuriame materija gali egzistuoti ketvirtoje būsenoje.

Priklausomai nuo temperatūros, bet kuri medžiaga keičia savo

valstybė. Taigi vanduo esant neigiamai (Celsijaus) temperatūrai yra kietos būsenos, diapazone nuo 0 iki 100 °C – skystos būsenos, virš 100 °C – dujinės būsenos, jei temperatūra toliau kyla, atomai ir molekulės pradeda prarasti savo elektronus – jie jonizuojasi, o dujos virsta plazma, aukštesnėje nei 1 000 000 ° C temperatūroje, plazma yra visiškai jonizuota – ji susideda tik iš elektronų ir teigiamų jonų. Plazma yra labiausiai paplitusi materijos būsena gamtoje 99% Visatos masės, didžioji dalis žvaigždžių, ūkų, yra visiškai jonizuota Žemės atmosferos dalis (jonosfera).

Dar aukštesni yra radiacijos diržai, kuriuose yra plazmos.

Auroros, žaibai, įskaitant rutulinius žaibus, yra skirtingi plazmos tipai, kuriuos galima stebėti natūraliomis sąlygomis Žemėje. Ir tik nežymią Visatos dalį sudaro kietoji medžiaga – planetos, asteroidai ir dulkių ūkai.

Fizikoje plazma suprantama kaip dujos, susidedančios iš elektrinių

įkrautų ir neutralių dalelių, kuriose bendras elektros krūvis lygus nuliui, t.y. tenkinama kvazineutralumo sąlyga (todėl, pvz., vakuume skrendantis elektronų pluoštas nėra plazma: jis neša neigiamą krūvį).

1.1. Tipiškiausios plazmos formos

Plazmos savybės ir parametrai

Plazma turi šias savybes:

Žemos temperatūros plazmai būdingas mažas jonizacijos laipsnis (iki 1%). Kadangi tokios plazmos gana dažnai naudojamos technologiniuose procesuose, kartais jos vadinamos technologinėmis plazmomis. Dažniausiai jie sukuriami naudojant elektrinius laukus, kurie pagreitina elektronus, kurie savo ruožtu jonizuoja atomus. Elektriniai laukai į dujas įvedami per indukcinę arba talpinę jungtį (žr. Induktyviai susietą plazmą). Tipiški žemos temperatūros plazmos panaudojimo būdai yra paviršiaus savybių modifikavimas plazmoje (deimantinės plėvelės, metalų nitridavimas, drėkinimo modifikavimas), paviršių ėsdinimas plazminiu būdu (puslaidininkių pramonė), dujų ir skysčių valymas (vandens ozonavimas ir suodžių dalelių deginimas dyzeliniuose varikliuose). .

Karšta plazma beveik visada yra visiškai jonizuota (jonizacijos laipsnis ~100%). Paprastai būtent tai suprantama kaip „ketvirtoji materijos būsena“. Pavyzdys yra Saulė.

2.4. Tankis

Be temperatūros, kuri yra pagrindinė plazmos egzistavimo sąlyga, antra pagal svarbą plazmos savybė yra jos tankis. Frazė plazmos tankis dažniausiai reiškia elektronų tankį, tai yra laisvųjų elektronų skaičių tūrio vienete (griežtai kalbant, čia tankis vadinamas koncentracija – ne tūrio vieneto masė, o dalelių skaičius tūrio vienete). Kvazineutralioje plazmoje jonų tankis yra susijęs su ja per vidutinį jonų krūvio skaičių: . Kitas svarbus dydis yra neutralių atomų tankis n0. Karštoje plazmoje n0 yra mažas, bet vis dėlto gali būti svarbus plazmoje vykstančių procesų fizikai. Nagrinėjant procesus tankioje, neidealioje plazmoje, būdingas tankio parametras tampa rs, kuris apibrėžiamas kaip vidutinio atstumo tarp dalelių ir Boro spindulio santykis.

2.5. Kvazineutralumas

Kadangi plazma yra labai geras laidininkas, elektrinės savybės yra svarbios. Plazmos potencialas arba erdvės potencialas yra vidutinė elektrinio potencialo vertė tam tikrame erdvės taške. Jei į plazmą patenka koks nors kūnas, jo potencialas paprastai bus mažesnis už plazmos potencialą dėl Debye sluoksnio atsiradimo. Šis potencialas vadinamas plūduriuojančiu potencialu. Dėl gero elektrinio laidumo plazma linkusi ekranuoti visus elektrinius laukus. Tai veda prie kvazineutralumo reiškinio - neigiamų krūvių tankis yra lygus teigiamų krūvių tankiui su geru tikslumu (). Dėl gero plazmos elektrinio laidumo teigiamų ir neigiamų krūvių atskyrimas yra neįmanomas didesniais atstumais nei Debye ilgis ir kartais didesniais nei plazmos svyravimų periodas.

Nekvazineutralios plazmos pavyzdys yra elektronų pluoštas. Tačiau neneutralių plazmų tankis turi būti labai mažas, antraip jos greitai suyra dėl Kulono atstūmimo.

Matematinis aprašymas

Plazmą galima aprašyti įvairiais detalumo lygiais. Paprastai plazma aprašoma atskirai nuo elektromagnetinių laukų.

3.1. Skysčio (skysčio) modelis

Skysčio modelyje elektronai apibūdinami pagal tankį, temperatūrą ir vidutinį greitį. Modelis pagrįstas: tankio balanso lygtimi, impulso išsaugojimo lygtimi ir elektronų energijos balanso lygtimi. Dviejų skysčių modelyje jonai apdorojami taip pat.

3.2. Kinetinis aprašymas

Kartais skysčio modelio nepakanka plazmai apibūdinti. Išsamesnį aprašymą pateikia kinetinis modelis, kuriame plazma apibūdinama elektronų pasiskirstymo pagal koordinates ir momento funkciją. Modelis pagrįstas Boltzmanno lygtimi. Boltzmanno lygtis netaikoma įkrautų dalelių, turinčių Kulono sąveiką, plazmai apibūdinti dėl tolimojo Kulono jėgų pobūdžio. Todėl, norint apibūdinti plazmą su Kulono sąveika, naudojama Vlasovo lygtis su savaime nuosekliu elektromagnetiniu lauku, kurį sukuria įkrautos plazmos dalelės. Kinetinis aprašymas turi būti naudojamas nesant termodinaminės pusiausvyros arba esant stipriam plazmos nehomogeniškumui.

3.3. Dalelė ląstelėje (dalelė ląstelėje)

„Particle-In-Cell“ modeliai yra išsamesni nei kinetiniai modeliai. Jie apima kinetinę informaciją, stebėdami daugelio atskirų dalelių trajektorijas. Elektrinis tankis krūvis ir srovė nustatomi susumavus daleles ląstelėse, kurios, palyginti su nagrinėjama problema, yra mažos, tačiau vis dėlto turi daug dalelių. El. paštas ir mag. Laukai randami pagal įkrovos ir srovės tankius ląstelių ribose.

4. Plazmos naudojimas

Plazma plačiausiai naudojama apšvietimo technikoje – dujų išlydžio lempose, kurios apšviečia gatves, ir fluorescencinėse lempose, naudojamose patalpose. Be to, įvairiuose dujų išlydžio įrenginiuose: elektros srovės lygintuvuose, įtampos stabilizatoriuose, plazmos stiprintuvuose ir itin aukšto dažnio (mikrobangų) generatoriuose, kosminių dalelių skaitikliuose. Visi vadinamieji dujiniai lazeriai (helio-neono, kriptono, anglies dvideginio ir kt.) iš tikrųjų yra plazma: juose esantys dujų mišiniai jonizuojami elektros iškrova. Plazmai būdingas savybes turi metalo laidumo elektronai (kristalinėje gardelėje standžiai fiksuoti jonai neutralizuoja jų krūvius), laisvųjų elektronų rinkinys ir judrios „skylės“ (laisvos vietos) puslaidininkiuose. Todėl tokios sistemos vadinamos kietojo kūno plazma. Dujų plazma dažniausiai skirstoma į žemos temperatūros – iki 100 tūkstančių laipsnių ir aukštos temperatūros – iki 100 milijonų laipsnių. Yra žemos temperatūros plazmos generatoriai – plazmatronai, kurie naudoja elektros lanką. Naudodami plazminį degiklį, šimtosiomis ir tūkstantosiomis sekundės dalimis galite įkaitinti beveik bet kokias dujas iki 7000-10000 laipsnių. Sukūrus plazminį deglą, atsirado nauja mokslo sritis – plazmos chemija: daugelis cheminių reakcijų paspartėja arba vyksta tik plazmos čiurkšle. Plazmatronai naudojami kasybos pramonėje ir metalų pjaustymui. Taip pat buvo sukurti plazminiai varikliai ir magnetohidrodinaminės jėgainės. Kuriamos įvairios įkrautų dalelių plazminio pagreitinimo schemos. Pagrindinė plazmos fizikos problema yra kontroliuojamos termobranduolinės sintezės problema. Termobranduolinės reakcijos – tai sunkesnių branduolių sintezė iš lengvųjų elementų branduolių (pirmiausia vandenilio izotopų – deuterio D ir tričio T), vykstanti labai aukštoje temperatūroje (> 108 K ir aukštesnėje). Natūraliomis sąlygomis Saulėje vyksta termobranduolinės reakcijos: vandenilio branduoliai jungiasi vienas su kitu ir sudaro helio branduolius, išskirdami nemažą kiekį energijos. Vandenilio bomboje buvo atlikta dirbtinė termobranduolinės sintezės reakcija.

Išvada

Plazma dar mažai tyrinėtas objektas ne tik fizikoje, bet ir chemijoje (plazmos chemija), astronomijoje ir daugelyje kitų mokslų. Todėl svarbiausi techniniai plazmos fizikos principai dar nepaliko laboratorijos kūrimo stadijos. Šiuo metu plazma aktyviai tiriama, nes yra labai svarbus mokslui ir technologijoms. Ši tema įdomi ir tuo, kad plazma yra ketvirtoji materijos būsena, apie kurios egzistavimą žmonės neįtarė iki pat XX a.

Bibliografija

1. Wurzel F.B., Polak L.S. Plazmochemija, M, Znanie, 1985 m.
2. Oraevskis N.V. Plazma žemėje ir erdvėje, K, Naukova Dumka, 1980 m.

Manau, kad visi žino 3 pagrindines materijos būsenas: skystą, kietą ir dujinę. Su šiomis materijos būsenomis susiduriame kasdien ir visur. Dažniausiai jie svarstomi naudojant vandens pavyzdį. Skysta vandens būsena mums yra labiausiai žinoma. Mes nuolat geriame skystą vandenį, jis teka iš mūsų čiaupo, o mes patys esame 70% skysto vandens. Antroji fizinė vandens būsena – paprastas ledas, kurį žiemą matome gatvėje. Kasdieniame gyvenime taip pat lengva rasti vandens dujiniu pavidalu. Dujinėje būsenoje vanduo, kaip visi žinome, yra garai. Tai matyti, kai, pavyzdžiui, verdame virdulį. Taip, 100 laipsnių temperatūroje vanduo iš skysto virsta dujiniu.

Tai trys mums žinomos materijos būsenos. Bet ar žinojote, kad iš tikrųjų jų yra 4? Manau, kad kiekvienas bent kartą yra girdėjęs žodį „plazma“. Ir šiandien noriu, kad jūs taip pat daugiau sužinotumėte apie plazmą – ketvirtąją materijos būseną.

Plazma yra iš dalies arba visiškai jonizuotos dujos, turinčios vienodą teigiamų ir neigiamų krūvių tankį. Plazmą galima gauti iš dujų – iš 3-ios medžiagos agregacijos būsenos stipriai kaitinant. Iš esmės agregacijos būklė visiškai priklauso nuo temperatūros. Pirmoji agregacijos būsena yra žemiausia temperatūra, kurioje kūnas išlieka kietas, antroji agregacijos būsena yra temperatūra, kurioje kūnas pradeda tirpti ir tampa skystas, trečioji agregacijos būsena yra aukščiausia temperatūra, kurioje medžiaga tampa dujas. Kiekvienam kūnui, medžiagai, perėjimo iš vienos agregacijos būsenos į kitą temperatūra yra visiškai skirtinga, kai kuriems ji yra žemesnė, kai kurių aukštesnė, bet visiems griežtai tokia seka. Kokioje temperatūroje medžiaga virsta plazma? Kadangi tai yra ketvirtoji būsena, tai reiškia, kad perėjimo į ją temperatūra yra aukštesnė nei kiekvienos ankstesnės. Ir tikrai taip. Norint jonizuoti dujas, reikalinga labai aukšta temperatūra. Žemiausios temperatūros ir mažai jonizuotai (apie 1%) plazmai būdinga iki 100 tūkstančių laipsnių temperatūra. Antžeminėmis sąlygomis tokią plazmą galima stebėti žaibo pavidalu. Žaibo kanalo temperatūra gali viršyti 30 tūkstančių laipsnių, o tai 6 kartus viršija Saulės paviršiaus temperatūrą. Beje, Saulė ir visos kitos žvaigždės taip pat yra plazma, dažniausiai aukštos temperatūros. Mokslas įrodo, kad apie 99% visos materijos Visatoje yra plazma.

Skirtingai nuo žemos temperatūros plazmos, aukštos temperatūros plazmos jonizacija yra beveik 100%, o temperatūra siekia 100 milijonų laipsnių. Tai tikrai žvaigždžių temperatūra. Žemėje tokia plazma randama tik vienu atveju – termobranduolinės sintezės eksperimentams. Valdoma reakcija yra gana sudėtinga ir reikalaujanti daug energijos, tačiau nekontroliuojama reakcija pasirodė esanti milžiniškos galios ginklas – termobranduolinė bomba, kurią SSRS išbandė 1953 m. rugpjūčio 12 d.

Plazma klasifikuojama ne tik pagal temperatūrą ir jonizacijos laipsnį, bet ir pagal tankį bei kvazineutralumą. Kolokacija plazmos tankis paprastai reiškia elektronų tankis, tai yra laisvųjų elektronų skaičius tūrio vienete. Na, su tuo, manau, viskas aišku. Tačiau ne visi žino, kas yra beveik neutralumas. Plazmos kvazineutralumas yra viena iš svarbiausių jo savybių, kurią sudaro beveik tiksli teigiamų jonų ir elektronų, esančių jo sudėtyje, tankių lygybė. Dėl gero plazmos elektrinio laidumo teigiamų ir neigiamų krūvių atskyrimas yra neįmanomas didesniais atstumais nei Debye ilgis ir kartais didesniais nei plazmos svyravimų periodas. Beveik visa plazma yra beveik neutrali. Nekvazineutralios plazmos pavyzdys yra elektronų pluoštas. Tačiau neneutralių plazmų tankis turi būti labai mažas, antraip jos greitai suyra dėl Kulono atstūmimo.

Mes pažvelgėme į labai keletą antžeminių plazmos pavyzdžių. Tačiau jų yra gana daug. Žmogus išmoko panaudoti plazmą savo naudai. Dėl ketvirtosios materijos būsenos galime naudoti dujų išlydžio lempas, plazminius televizorius, elektrinį lankinį suvirinimą, lazerius. Įprastos fluorescencinės išlydžio lempos taip pat yra plazminės. Mūsų pasaulyje taip pat yra plazminė lempa. Jis daugiausia naudojamas moksle tiriant ir, svarbiausia, pamatyti kai kuriuos sudėtingiausius plazmos reiškinius, įskaitant filamentaciją. Tokios lempos nuotrauką galite pamatyti žemiau esančiame paveikslėlyje:

Be buitinių plazminių prietaisų, Žemėje dažnai galima pamatyti ir natūralią plazmą. Apie vieną iš jos pavyzdžių jau kalbėjome. Tai yra žaibas. Tačiau be žaibo, plazmos reiškinius galima vadinti šiaurės pašvaistėmis, „Šv. Elmo ugnimi“, Žemės jonosfera ir, žinoma, ugnimi.

Atkreipkite dėmesį, kad ugnis, žaibas ir kitos plazmos apraiškos, kaip mes ją vadiname, dega. Kas sukelia tokią ryškią plazmos šviesą? Plazmos švytėjimą sukelia elektronų perėjimas iš didelės energijos būsenos į mažos energijos būseną po rekombinacijos su jonais. Dėl šio proceso susidaro spinduliuotė, kurios spektras atitinka sužadintas dujas. Štai kodėl plazma šviečia.

Taip pat norėčiau šiek tiek pakalbėti apie plazmos istoriją. Juk kažkada plazma buvo vadinamos tik tokios medžiagos kaip skystasis pieno komponentas ir bespalvis kraujo komponentas. Viskas pasikeitė 1879 m. Būtent tais metais garsus anglų mokslininkas Williamas Crookesas, tyrinėdamas dujų elektrinį laidumą, atrado plazmos fenomeną. Tiesa, tokia materijos būsena plazma buvo pavadinta tik 1928 m.. Ir tai padarė Irvingas Langmuiras.

Baigdamas noriu pasakyti, kad toks įdomus ir paslaptingas reiškinys kaip kamuolinis žaibas, apie kurį ne kartą rašiau šioje svetainėje, žinoma, taip pat yra plazmoidas, kaip ir paprastas žaibas. Tai turbūt labiausiai neįprastas plazmoidas iš visų antžeminės plazmos reiškinių. Juk yra apie 400 skirtingų teorijų apie kamuolinį žaibą, tačiau nė viena iš jų nebuvo pripažinta tikrai teisinga. Laboratorinėmis sąlygomis panašūs, bet trumpalaikiai reiškiniai buvo gauti keliais skirtingais būdais, todėl kamuolinio žaibo prigimties klausimas lieka atviras.

Paprasta plazma, žinoma, buvo kuriama ir laboratorijose. Kažkada tai buvo sunku, bet dabar toks eksperimentas nėra ypač sunkus. Kadangi plazma tvirtai pateko į mūsų kasdienį arsenalą, jie daug eksperimentuoja su ja laboratorijose.

Įdomiausias atradimas plazmos srityje buvo eksperimentai su plazma be gravitacijos. Pasirodo, plazma kristalizuojasi vakuume. Būna taip: įkrautos plazmos dalelės pradeda atstumti viena kitą, o kai turi ribotą tūrį, užima joms skirtą erdvę, išsisklaido į skirtingas puses. Jis yra gana panašus į kristalinę gardelę. Ar tai nereiškia, kad plazma yra uždaromoji grandis tarp pirmosios materijos būsenos ir trečiosios? Juk ji dėl dujų jonizacijos tampa plazma, o vakuume plazma vėl tampa kieta. Bet tai tik mano spėjimas.

Plazmos kristalai erdvėje taip pat turi gana keistą struktūrą. Šią struktūrą galima stebėti ir tirti tik erdvėje, tikrame erdvės vakuume. Net jei sukursite vakuumą Žemėje ir įdėsite ten plazmą, gravitacija tiesiog suspaus visą viduje susidarantį „vaizdą“. Erdvėje plazmos kristalai tiesiog pakyla, sudarydami keistos formos trimatę trimatę struktūrą. Nusiuntus plazmos stebėjimo orbitoje rezultatus mokslininkams Žemėje, paaiškėjo, kad plazmoje esantys sūkuriai keistai atkartoja mūsų galaktikos struktūrą. Tai reiškia, kad ateityje tiriant plazmą bus galima suprasti, kaip gimė mūsų galaktika. Toliau pateiktose nuotraukose parodyta ta pati kristalizuota plazma.

Tipiški plazmos pavyzdžiai

Plazma yra labiausiai paplitusi materijos būsena. Daugiau nei 99% to, kas stebima, sudaro plazma. Gerai žinomos šios plazmos formos:

• Laboratorinė ir pramoninė
  • Liepsnos
  • Suvirinimo lankas
  • Raketos išmetimas
  • Plazma kontroliuojamai termobranduolinei sintezei
• Natūralus
  • ir kiti (susidaro termobranduolinės sintezės būdu)
  • Tarpžvaigždinės dujos

Savybės

Terminas plazma vartojamas įkrautų dalelių sistemoms, kurios yra pakankamai didelės, kad sukurtų kolektyvinį poveikį. Mikroskopiniai nedideli įkrautų dalelių kiekiai (pvz., jonų pluoštai jonų gaudyklėse) nėra plazma. Plazma turi šias savybes:

1. Debye atrankos ilgis yra mažas, palyginti su būdingu plazmos dydžiu.
   • r_D/L<<1\,
2. Sferos c viduje yra daug įkrautų dalelių.
   • r_D^3N>>1\,, Kur N\,- įkrautų dalelių koncentracija
3. Vidutinis laikas tarp dalelių susidūrimų yra ilgas, palyginti su plazmos svyravimų periodu.
   • \tau\omega_(pl)>>1\,

klasifikacija

Plazma paprastai skirstoma į žema temperatūra Ir aukštos temperatūros, pusiausvyra Ir nepusiausvyra, ir gana dažnai šalta plazma yra nepusiausvyra, o karšta plazma yra pusiausvyra.

Temperatūra

Nepusiausvyros plazmose elektronų temperatūra žymiai viršija jonų temperatūrą. Taip atsitinka dėl jonų ir elektronų masių skirtumo, o tai apsunkina energijos mainų procesą. Tokia situacija susidaro dujų išlydžiose, kai jonų temperatūra siekia apie šimtus, o elektronų – apie dešimtis tūkstančių laipsnių.

Pusiausvyros plazmoje abi temperatūros yra vienodos. Kadangi jonizacijos procesui reikalingos temperatūros, panašios į jonizacijos potencialą, pusiausvyros plazmos paprastai būna karštos (kai temperatūra didesnė nei keli tūkstančiai laipsnių).

Koncepcija aukštos temperatūros plazma dažniausiai naudojamas termobranduolinės sintezės plazmai, kuriai reikalinga milijonų laipsnių temperatūra.

Jonizacijos laipsnis

Jonizacijos laipsnis apibrėžiamas kaip jonizuotų dalelių skaičiaus ir bendro dalelių skaičiaus santykis. Žemos temperatūros plazmoms būdingas mažas jonizacijos laipsnis (<1 %). Так как такие плазмы довольно часто употребляются в plazmos technologijos kartais jie vadinami technologinės plazmos. Dažniausiai jie sukuriami naudojant elektrinius laukus, kurie pagreitina elektronus, kurie savo ruožtu jonizuoja atomus. Elektriniai laukai į dujas įvedami per indukcinę arba talpinę jungtį. Tipiškas žemos temperatūros plazmos pritaikymas apima paviršiaus savybių modifikavimą plazmoje (deimantinės plėvelės, metalų nitridavimas, drėkinimo modifikavimas), paviršių ėsdinimas plazminiu būdu (puslaidininkių pramonė), dujų ir skysčių valymas (vandens ozonavimas ir suodžių dalelių deginimas dyzeliniuose varikliuose). ).

Karštos plazmos beveik visada visiškai jonizuotas (jonizacijos laipsnis ~100%). Paprastai jie suprantami kaip „ketvirtoji materijos būsena“. Pavyzdys yra Saulė.

Tankis

Be temperatūros, kuri yra pagrindinė plazmos egzistavimo sąlyga, antra pagal svarbą plazmos savybė yra jos tankis. Žodis plazmos tankis paprastai reiškia elektronų tankis, tai yra laisvųjų elektronų skaičius tūrio vienete (griežtai kalbant, čia tankis vadinamas koncentracija – ne tūrio vieneto masė, o dalelių skaičius tūrio vienete). Jonų tankis prijungtas prie jo per vidutinį krūvį jonų \langle Z\rangle: n_e=\langle Z\rangle n_i. Kitas svarbus dydis yra neutralių atomų tankis n 0 . Karštoje plazmoje n 0 yra mažas, bet vis dėlto gali būti svarbus plazmoje vykstančių procesų fizikai.

Kvazineutralumas

Kadangi plazma yra labai geras laidininkas, elektrinės savybės yra svarbios. Plazmos potencialas arba erdvės potencialas vadinama vidutine elektrinio potencialo verte tam tikrame erdvės taške. Jei į plazmą patenka koks nors kūnas, jo potencialas paprastai bus mažesnis už plazmos potencialą dėl Debye sluoksnio atsiradimo. Šis potencialas vadinamas plaukiojantis potencialas. Dėl gero elektrinio laidumo plazma linkusi ekranuoti visus elektrinius laukus. Tai veda prie kvazineutralumo reiškinio - neigiamų krūvių tankis yra lygus teigiamų krūvių tankiui su geru tikslumu ( n_e=\langle Z\rangle n_i). Dėl gero plazmos elektrinio laidumo teigiamų ir neigiamų krūvių atskyrimas yra neįmanomas didesniais atstumais nei Debye ilgis ir kartais didesniais nei plazmos svyravimų periodas.

Nekvazineutralios plazmos pavyzdys yra elektronų pluoštas. Tačiau neneutralių plazmų tankis turi būti labai mažas, antraip jos greitai suyra dėl Kulono atstūmimo.

Skirtumai nuo dujinės būsenos

Plazma dažnai vadinama ketvirtoji materijos būsena. Ji skiriasi nuo trijų mažiau energingų materijos būsenų, nors yra panaši į dujų fazę, nes neturi konkrečios formos ar tūrio. Vis dar diskutuojama, ar plazma yra atskira agregacijos būsena, ar tiesiog karštos dujos. Dauguma fizikų mano, kad plazma yra daugiau nei dujos dėl šių skirtumų:

Nuosavybė	Dujos	Plazma
Elektrinis laidumas	Labai mažas	Labai aukštai Nepaisant to, kad tekant srovei, nors ir atsiranda nedidelis, bet vis dėlto baigtinis potencialo kritimas, daugeliu atvejų elektrinis laukas plazmoje gali būti laikomas lygiu nuliui. Tankio gradientai, susiję su elektrinio lauko buvimu, gali būti išreikšti per Boltzmann skirstymą. Dėl gebėjimo pravesti sroves plazma yra labai jautri magnetinio lauko įtakai, dėl kurios atsiranda tokių reiškinių kaip gijos, sluoksnių ir purkštukų atsiradimas. Būdingas kolektyvinio poveikio buvimas, nes elektrinės ir magnetinės jėgos yra daug stipresnės nei gravitacinės.
Dalelių tipų skaičius	Vienas	Du ar trys Elektronai, jonai ir neutralios dalelės išsiskiria elektrono ženklu. kraunasi ir gali elgtis nepriklausomai vienas nuo kito – turi skirtingą greitį ir net temperatūrą, o tai sukelia naujų reiškinių, tokių kaip bangos ir nestabilumas, atsiradimą.
Greičio paskirstymas	Maksvelo	Gali būti ne maksveliškas Elektriniai laukai turi kitokį poveikį dalelių greičiams nei susidūrimai, kurie visada sukelia greičio pasiskirstymo maksvelizaciją. Kulono susidūrimo skerspjūvio priklausomybė nuo greičio gali padidinti šį skirtumą, o tai gali sukelti tokius efektus kaip dviejų temperatūrų pasiskirstymas ir elektronai.
Sąveikos tipas	Dvejetainis Kaip taisyklė, dviejų dalelių susidūrimai, trijų dalelių susidūrimai yra itin reti.	Kolektyvinis Kiekviena dalelė sąveikauja su daugeliu iš karto. Šios kolektyvinės sąveikos turi daug didesnį poveikį nei dviejų dalelių sąveika.

Matematinis aprašymas

Plazmą galima aprašyti įvairiais detalumo lygiais. Paprastai plazma aprašoma atskirai nuo elektromagnetinių laukų. Bendras laidžiojo skysčio ir elektromagnetinių laukų aprašymas pateiktas magnetohidrodinaminių reiškinių teorijoje arba MHD teorijoje.

Skysčio (skysčio) modelis

Skysčio modelyje elektronai apibūdinami pagal tankį, temperatūrą ir vidutinį greitį. Modelis pagrįstas: tankio balanso lygtimi, impulso išsaugojimo lygtimi ir elektronų energijos balanso lygtimi. Dviejų skysčių modelyje jonai apdorojami taip pat.

Kinetinis aprašymas

Kartais skysčio modelio nepakanka plazmai apibūdinti. Išsamesnį aprašymą pateikia kinetinis modelis. Plazma apibūdinama elektronų greičio pasiskirstymo funkcija. Modelis pagrįstas. Apibūdinant plazmą ir elektrą kartu. laukuose naudojama Vlasovo lygčių sistema. Kinetinis aprašymas turi būti naudojamas nesant termodinaminės pusiausvyros arba esant stipriam plazmos nehomogeniškumui.

Dalelė ląstelėje (dalelė ląstelėje)

„Particle-In-Cell“ modeliai yra išsamesni nei kinetiniai modeliai. Jie apima kinetinę informaciją, stebėdami daugelio atskirų dalelių trajektorijas. Elektrinis tankis krūvis ir srovė nustatomi sudedant daleles ląstelėse, kurios, palyginti su nagrinėjama problema, yra mažos, tačiau vis dėlto turi daug dalelių. El. paštas ir mag. Laukai randami pagal įkrovos ir srovės tankius ląstelių ribose.

Pagrindinės plazmos charakteristikos

Visi dydžiai pateikiami Gauso vienetais, išskyrus temperatūrą, kuri pateikiama eV, ir jonų masę, kuri pateikiama protonų masės vienetais. μ = m i / m p ; Z– įkrovimo numeris; k– Boltzmanno konstanta; KAM– bangos ilgis; γ - adiabatinis indeksas; ln Λ – Kulono logaritmas.

Dažniai

• Elektronų Larmor dažnis, kampinis elektrono apskrito judėjimo plokštumoje, statmenoje magnetiniam laukui, dažnis:

\omega_(ce) = eB/m_ec = 1,76 \times 10^7 B \mbox(rad/s)

• Jono Larmor dažnis, jono apskritimo judėjimo plokštumoje, statmenoje magnetiniam laukui, kampinis dažnis:

\omega_(ci) = eB/m_ic = 9,58 \times 10^3 Z \mu^(-1) B \mbox(rad/s)

• plazmos dažnis(plazmos virpesių dažnis), dažnis, kuriuo elektronai svyruoja aplink pusiausvyros padėtį, kai yra pasislinkę jonų atžvilgiu:

\omega_(pe) = (4\pi n_ee^2/m_e)^(1/2) = 5,64 \times 10^4 n_e^(1/2) \mbox(rad/s)

• jonų plazmos dažnis:

\omega_(pe) = (4\pi n_iZ^2e^2/m_i)^(1/2) = 1,32 \times 10^3 Z \mu^(-1/2) n_i^(1/2) \mbox (rad/s)

• elektronų susidūrimo dažnis

\nu_e = 2,91 \kartai 10^(-6) n_e\,\ln\Lambda\,T_e^(-3/2) \mbox(s)^(-1)

• jonų susidūrimo dažnis

\nu_i = 4,80 \kartų 10^(-8) Z^4 \mu^(-1/2) n_i\,\ln\Lambda\,T_i^(-3/2) \mbox(s)^(-1 )

Ilgiai

• De Broglie elektronų bangos ilgis, elektronų bangos ilgis kvantinėje mechanikoje:

\lambda\!\!\!\!- = \hbar/(m_ekT_e)^(1/2) = 2,76\times10^(-8)\,T_e^(-1/2)\,\mbox(cm)

• minimalus artėjimo atstumas klasikiniu atveju, mažiausias atstumas, iki kurio gali priartėti dvi įkrautos dalelės kaktomušos susidūrimo metu, ir pradinis greitis, atitinkantis dalelių temperatūrą, neatsižvelgiant į kvantinį mechaninį poveikį:

e^2/kT=1,44\times10^(-7)\,T^(-1)\,\mbox (cm)

• elektronų giromagnetinis spindulys, elektrono apskrito judėjimo magnetiniam laukui statmenoje plokštumoje spindulys:

r_e = v_(Te)/\omega_(ce) = 2,38\,T_e^(1/2)B^(-1)\,\mbox(cm)

• jonų giromagnetinis spindulys, jono apskrito judėjimo magnetiniam laukui statmenoje plokštumoje spindulys:

r_i = v_(Ti)/\omega_(ci) = 1,02\times10^2\,\mu^(1/2)Z^(-1)T_i^(1/2)B^(-1)\,\ mbox (cm)

• plazminio odos sluoksnio dydis, atstumas, kuriuo elektromagnetinės bangos gali prasiskverbti į plazmą:

c/\omega_(pe) = 5,31\times10^5\,n_e^(-1/2)\,\mbox(cm)

• (Debye ilgis), atstumas, kuriuo elektriniai laukai ekranuojami dėl elektronų persiskirstymo:

\lambda_D = (kT/4\pi ne^2)^(1/2) = 7,43\times10^2\,T^(1/2)n^(-1/2)\,\mbox (cm)

Greičiai

• šiluminis elektronų greitis, elektronų greičio įvertinimo formulė esant . Vidutinis greitis, labiausiai tikėtinas greitis ir vidutinis kvadratinis greitis nuo šios išraiškos skiriasi tik vienybės eilės veiksniais:

v_(Te) = (kT_e/m_e)^(1/2) = 4,19\times10^7\,T_e^(1/2)\,\mbox(cm/s)

• šiluminis jonų greitis, formulė, skirta įvertinti jonų greitį esant

Manau, kad visi žino 3 pagrindines materijos būsenas: skystą, kietą ir dujinę. Su šiomis materijos būsenomis susiduriame kasdien ir visur. Dažniausiai jie svarstomi naudojant vandens pavyzdį. Skysta vandens būsena mums yra labiausiai žinoma. Mes nuolat geriame skystą vandenį, jis teka iš mūsų čiaupo, o mes patys esame 70% skysto vandens. Antroji fizinė vandens būsena – paprastas ledas, kurį žiemą matome gatvėje. Kasdieniame gyvenime taip pat lengva rasti vandens dujiniu pavidalu. Dujinėje būsenoje vanduo, kaip visi žinome, yra garai. Tai matyti, kai, pavyzdžiui, verdame virdulį. Taip, 100 laipsnių temperatūroje vanduo iš skysto virsta dujiniu.

Tai trys mums žinomos materijos būsenos. Bet ar žinojote, kad iš tikrųjų jų yra 4? Manau, kad visi girdėjo žodį " plazma“ Ir šiandien noriu, kad jūs taip pat daugiau sužinotumėte apie plazmą – ketvirtąją materijos būseną.

Plazma yra iš dalies arba visiškai jonizuotos dujos, turinčios vienodą teigiamų ir neigiamų krūvių tankį. Plazmą galima gauti iš dujų – iš 3-ios medžiagos agregacijos būsenos stipriai kaitinant. Iš esmės agregacijos būklė visiškai priklauso nuo temperatūros. Pirmoji agregacijos būsena yra žemiausia temperatūra, kurioje kūnas išlieka kietas, antroji agregacijos būsena yra temperatūra, kurioje kūnas pradeda tirpti ir tampa skystas, trečioji agregacijos būsena yra aukščiausia temperatūra, kurioje medžiaga tampa dujas. Kiekvienam kūnui, medžiagai, perėjimo iš vienos agregacijos būsenos į kitą temperatūra yra visiškai skirtinga, kai kuriems ji yra žemesnė, kai kurių aukštesnė, bet visiems griežtai tokia seka. Kokioje temperatūroje medžiaga virsta plazma? Kadangi tai yra ketvirtoji būsena, tai reiškia, kad perėjimo į ją temperatūra yra aukštesnė nei kiekvienos ankstesnės. Ir tikrai taip. Norint jonizuoti dujas, reikalinga labai aukšta temperatūra. Žemiausios temperatūros ir mažai jonizuotai (apie 1%) plazmai būdinga iki 100 tūkstančių laipsnių temperatūra. Antžeminėmis sąlygomis tokią plazmą galima stebėti žaibo pavidalu. Žaibo kanalo temperatūra gali viršyti 30 tūkstančių laipsnių, o tai 6 kartus viršija Saulės paviršiaus temperatūrą. Beje, Saulė ir visos kitos žvaigždės taip pat yra plazma, dažniausiai aukštos temperatūros. Mokslas įrodo, kad apie 99% visos materijos Visatoje yra plazma.

Skirtingai nuo žemos temperatūros plazmos, aukštos temperatūros plazmos jonizacija yra beveik 100%, o temperatūra siekia 100 milijonų laipsnių. Tai tikrai žvaigždžių temperatūra. Žemėje tokia plazma randama tik vienu atveju – termobranduolinės sintezės eksperimentams. Reakcijos valdymas yra gana sudėtingas ir reikalaujantis daug energijos, tačiau nekontroliuojama reakcija yra gana ankstyva - elgėsi kaip kolosalios galios ginklas - termobranduolinė bomba, SSRS išbandyta 1953 m. rugpjūčio 12 d.

Plazma klasifikuojama ne tik pagal temperatūrą ir jonizacijos laipsnį, bet ir pagal tankį bei kvazineutralumą. Kolokacija plazmos tankis paprastai reiškia elektronų tankis, tai yra laisvųjų elektronų skaičius tūrio vienete. Na, su tuo, manau, viskas aišku. Tačiau ne visi žino, kas yra beveik neutralumas. Plazmos kvazineutralumas yra viena iš svarbiausių jo savybių, kurią sudaro beveik tiksli teigiamų jonų ir elektronų, esančių jo sudėtyje, tankių lygybė. Dėl gero plazmos elektrinio laidumo teigiamų ir neigiamų krūvių atskyrimas yra neįmanomas didesniais atstumais nei Debye ilgis ir kartais didesniais nei plazmos svyravimų periodas. Beveik visa plazma yra beveik neutrali. Nekvazineutralios plazmos pavyzdys yra elektronų pluoštas. Tačiau neneutralių plazmų tankis turi būti labai mažas, antraip jos greitai suyra dėl Kulono atstūmimo.

Mes pažvelgėme į labai keletą antžeminių plazmos pavyzdžių. Tačiau jų yra gana daug. Žmogus išmoko naudoti plazmą savo naudai. Dėl ketvirtosios agreguotos medžiagos būsenos galime naudoti dujų išlydžio lempas, plazminius televizorius, zoo-ramį, lankinį-elektrinį suvirinimą, lazerinį-ramį. Įprastos dujų išlydžio liuminescencinės lempos taip pat yra plazminės. Mūsų pasaulyje taip pat yra plazminė lempa. Jis daugiausia naudojamas moksle tiriant ir, svarbiausia, pamatyti kai kuriuos sudėtingiausius plazmos reiškinius, įskaitant filamentaciją. Tokios lempos nuotrauką galite pamatyti žemiau esančiame paveikslėlyje:

Be buitinių plazminių prietaisų, Žemėje dažnai galima pamatyti ir natūralią plazmą. Mes jau kalbėjome apie vieną iš jos pavyzdžių. Tai yra žaibas. Tačiau be žaibo, plazmos reiškinius galima vadinti šiaurės pašvaistėmis, „Šv. Elmo ugnimi“, Žemės jonosfera ir, žinoma, ugnimi.

Atkreipkite dėmesį, kad ugnis, žaibas ir kitos plazmos apraiškos, kaip mes ją vadiname, dega. Kas sukelia tokią ryškią plazmos šviesą? Plazmos švytėjimą sukelia elektronų perėjimas iš didelės energijos būsenos į mažos energijos būseną po rekombinacijos su jonais. Dėl šio proceso susidaro spinduliuotė, kurios spektras atitinka sužadintas dujas. Štai kodėl plazma šviečia.

Taip pat norėčiau šiek tiek pakalbėti apie plazmos istoriją. Juk kažkada plazma buvo vadinamos tik tokios medžiagos kaip skystasis pieno komponentas ir bespalvis kraujo komponentas. Viskas pasikeitė 1879 m. Būtent tais metais garsus anglų mokslininkas Williamas Crookesas, tyrinėdamas dujų elektrinį laidumą, atrado plazmos fenomeną. Tiesa, tokia materijos būsena plazma buvo pavadinta tik 1928 m.. Ir tai padarė Irvingas Langmuiras.

Baigdamas noriu pasakyti, kad toks įdomus ir paslaptingas reiškinys kaip kamuolinis žaibas, apie kurį ne kartą rašiau šioje svetainėje, žinoma, taip pat yra plazmoidas, kaip ir paprastas žaibas. Tai turbūt labiausiai neįprastas plazmoidas iš visų antžeminės plazmos reiškinių. Juk yra apie 400 skirtingų teorijų apie kamuolinį žaibą, tačiau nė viena iš jų nebuvo pripažinta tikrai teisinga. Laboratorinėmis sąlygomis panašūs, bet trumpalaikiai reiškiniai buvo gauti keliais skirtingais būdais, todėl kamuolinio žaibo prigimties klausimas lieka atviras.

Paprasta plazma, žinoma, buvo kuriama ir laboratorijose. Kažkada tai buvo sunku, bet dabar toks eksperimentas nėra ypač sunkus. Kadangi plazma tvirtai pateko į mūsų kasdienį arsenalą, jie daug eksperimentuoja su ja laboratorijose.

Įdomiausias atradimas plazmos srityje buvo eksperimentai su plazma be gravitacijos. Pasirodo, plazma kristalizuojasi vakuume. Būna taip: įkrautos plazmos dalelės pradeda atstumti viena kitą, o kai turi ribotą tūrį, užima joms skirtą erdvę, išsisklaido į skirtingas puses. Jis yra gana panašus į kristalinę gardelę. Ar tai nereiškia, kad plazma yra uždaromoji grandis tarp pirmosios materijos būsenos ir trečiosios? Juk ji dėl dujų jonizacijos tampa plazma, o vakuume plazma vėl tampa kieta. Bet tai tik mano spėjimas.

Plazmos kristalai erdvėje taip pat turi gana keistą struktūrą. Šią struktūrą galima stebėti ir tirti tik erdvėje, tikrame erdvės vakuume. Net jei sukursite vakuumą Žemėje ir įdėsite ten plazmą, gravitacija tiesiog suspaus visą viduje susidarantį „vaizdą“. Erdvėje plazmos kristalai tiesiog pakyla, sudarydami keistos formos trimatę trimatę struktūrą. Nusiuntus plazmos stebėjimo orbitoje rezultatus mokslininkams Žemėje, paaiškėjo, kad plazmoje esantys sūkuriai keistai atkartoja mūsų galaktikos struktūrą. Tai reiškia, kad ateityje tiriant plazmą bus galima suprasti, kaip gimė mūsų galaktika. Toliau pateiktose nuotraukose parodyta ta pati kristalizuota plazma.

Tai viskas, ką norėčiau pasakyti plazmos tema. Tikiuosi, kad tai jus sudomino ir nustebino. Juk tai tikrai nuostabus reiškinys, tiksliau – būsena – 4 materijos būsena.