Yukarıda listelenen üç duruma ek olarak, bir madde dördüncü bir toplanma durumunda da olabilir: plazma nispeten yakın zamanda keşfedilen. Gaz halindeki bir madde, ultra yüksek sıcaklıklar (birkaç milyon derece), güçlü elektrik deşarjları veya elektromanyetik radyasyon gibi güçlü iyonlaştırıcı faktörlere maruz kaldığında plazma durumu meydana gelir. Bu durumda maddenin molekülleri ve atomları yok edilerek, devasa hızlarda hareket eden pozitif yüklü çekirdekler ve elektronlardan oluşan bir karışıma dönüşür. Bu nedenle plazmaya bazen elektron-nükleer gaz da denir.

İki tür plazma vardır: izotermal ve gaz deşarjlı.

İzotermal plazma Maddenin atomlarının termal ayrışmasının etkisi altında yüksek sıcaklıklarda elde edilir ve süresiz olarak var olabilir. Bu tür plazma, yıldızların yanı sıra yıldırım toplarının da maddesidir. Dünyanın iyonosferi de özel bir plazma türüdür; ancak bu durumda iyonlaşma Güneş'ten gelen ultraviyole radyasyonun etkisi altında meydana gelir.

İzotermal plazma uzay süreçlerinde son derece önemli bir rol oynar. Maddenin uzaydaki diğer üç hali istisnadır.

Gaz deşarj plazması Bir elektrik boşalması sırasında oluşur ve bu nedenle yalnızca bir elektrik alanının varlığında kararlıdır. Dış alanın etkisi sona erdiğinde, iyonlardan ve elektronlardan nötr atomların oluşması nedeniyle gaz deşarj plazması 10 –5 -10 –4 saniye içinde kaybolur.

Plazmanın dikkat çekici özelliklerinden biri yüksek elektrik iletkenliğidir. Plazmanın sıcaklığı ne kadar yüksek olursa iletkenliği de o kadar yüksek olur. Bu nedenle plazmadan yüzbinlerce, milyonlarca amperlik akım geçebilir.

Bu tür akımları bir plazmadan geçirerek sıcaklığını onlarca, hatta yüz milyonlarca dereceye, basıncını ise onlarca gigapaskal'a çıkarmak mümkündür. Bu tür koşulların beklemeye yakın olduğu bilinmektedir termonükleer füzyon reaksiyonları , devasa miktarda enerji üretebilen bir şey.

Bilindiği gibi, enerji sadece çekirdeklerin bölünmesi sırasında değil, aynı zamanda onların füzyonu sırasında da, yani daha hafif çekirdeklerin daha ağır olanlara füzyonu sırasında açığa çıkar. Bu durumda görev, elektriksel itmenin üstesinden gelmek ve hafif çekirdekleri, nükleer çekici kuvvetlerin aralarında hareket etmeye başlayacağı yeterince küçük mesafelere yaklaştırmaktır. Yani örneğin iki proton ve iki nötronu bir helyum atomunun çekirdeğinde birleşmeye zorlamak mümkün olsaydı, o zaman muazzam bir enerji açığa çıkar olurdu. Sıradan çarpışmalar sonucunda yüksek sıcaklıklara kadar ısınan çekirdekler, o kadar küçük mesafelere yaklaşabiliyor ki, nükleer kuvvetler devreye giriyor ve füzyon meydana geliyor. Hesaplamaların gösterdiği gibi, füzyon süreci bir kez başlatıldığında, daha sonraki nükleer füzyonlar için gerekli olan yüksek sıcaklığı korumak için gereken ısı miktarını sağlayabilir. süreç kesintisiz olarak devam edecek. Bu, o kadar güçlü bir termal enerji kaynağı üretir ki, miktarı yalnızca gereken malzeme miktarıyla kontrol edilebilir. Kontrollü bir termonükleer füzyon reaksiyonu yürütmenin özü budur.

Bir elektrik akımı bir plazmadan geçtiğinde, elektronların ve iyonların akışını sıkıştıran güçlü bir manyetik alan yaratır. plazma kablosu Bu, plazmanın kabın duvarlarından ısı yalıtımını sağlar. Akım arttıkça plazmanın elektromanyetik sıkışması daha belirgin hale gelir. Bu sözde şeyin özüdür. çimdik efekti Araştırmaların gösterdiği gibi, sıkıştırma etkisi ve belirli bir yasaya göre değişen dış manyetik alanların yarattığı kuvvetler, plazmayı füzyon reaksiyonunun gerçekleştiği "manyetik şişe" içinde tutmak için başarıyla kullanılabilir.

KİMYASAL BAĞ TEORİSİ

Kimyasal bağlar doktrininin genel hükümleri. Kovalent bağ

Kimyasal bağ kavramı modern bilimin temel kavramlarından biridir. Atomların etkileşiminin doğası hakkında bilgi olmadan, kimyasal bileşiklerin oluşum mekanizmasını, bileşimlerini ve reaktivitelerini anlamak ve hatta yeni malzemelerin özelliklerini tahmin etmek imkansızdır.

Kimyasal bağlarla ilgili ilk ve tamamen açık olmayan fikirler 1857'de Kekule tarafından ortaya atıldı. Başka bir elementin atomuna bağlanan atomların sayısı, onu oluşturan parçaların bazikliğine bağlıdır .

“Kimyasal bağ” terimi ilk kez A.M. Butlerov, 1863'te. Kimyasal bağlar doktrininin yaratılmasında, 1861'de önerdiği kimyasal yapı teorisi büyük rol oynadı. Ancak teorinin ana hükümlerini formüle eden Butlerov, henüz "kimyasal bağ" terimini kullanmadı. ”. Onun öğretisinin ilkeleri şunlardır:

1. Moleküllerdeki atomlar belirli bir sırayla birbirine bağlanır. Bu diziyi değiştirmek, yeni özelliklere sahip yeni bir maddenin oluşmasına yol açar.

2. Atomların bağlantısı değerliklerine göre gerçekleşir.

3. Maddelerin özellikleri yalnızca bileşime değil aynı zamanda “kimyasal yapılarına” da bağlıdır; atomların moleküllerdeki bağlantı sırası ve karşılıklı etkilerinin doğası üzerine.

Böylece maddelerin özellikleri yalnızca niteliksel ve niceliksel bileşimleriyle değil aynı zamanda moleküllerin iç yapısıyla da belirlenir.

1863'te Butlerov, "Bazı izomerizm vakalarının çeşitli açıklamaları üzerine" adlı çalışmasında "atomlar arasındaki kimyasal bağlanma yönteminden", "tek tek atomların kimyasal bağlanmasından" bahsetmişti.

"Kimyasal bağ" terimi ne anlama geliyor?

Bu kavramın birçok tanımı verilebilir ancak bunlardan en bariz olanı şudur: Kimyasal bağ – bu, maddelerin oluşumu sırasında atomlar arasında meydana gelen etkileşimdir.

Kimyasal bağın doğasına ilişkin bilimsel bir açıklama ancak atomun yapısı doktrininin ortaya çıkmasından sonra ortaya çıkabildi. 1916'da Amerikalı fiziksel kimyacı Lewis, farklı atomlara ait elektronların eşleştirilmesiyle kimyasal bir bağın ortaya çıktığını öne sürdü. Bu fikir modernizmin başlangıç ​​noktasıydı. kovalent kimyasal bağ teorisi .

Aynı yıl Alman bilim adamı Kossel, iki atom etkileşime girdiğinde birinin elektron verdiğini, diğerinin ise elektron aldığını öne sürdü. Ortaya çıkan iyonların elektrostatik etkileşimi, stabil bir bileşiğin oluşumuna yol açar. Kossel'in fikirlerinin gelişimi, yaratılışına yol açtı. iyonik bağ teorisi .

Her durumda kimyasal bağ elektriksel kökenlidir çünkü sonuçta elektronların etkileşiminden kaynaklanmaktadır.

Kimyasal bağın ortaya çıkmasının sebeplerinden biri de atomların daha kararlı bir duruma geçme isteğidir. Kimyasal bir bağın oluşması için gerekli bir koşul, etkileşime giren atomlardan oluşan bir sistemin potansiyel enerjisindeki bir azalmadır.

Kimyasal reaksiyonlar sırasında atomların çekirdekleri ve iç elektron kabukları değişikliğe uğramaz. Kimyasal bağlanma, çekirdekten en uzaktaki elektronların etkileşimi yoluyla oluşur. değerlik .

Değerlik elemanları şunlardır: s-elementler için - dış enerji seviyesinin s-elektronları, p-elementler için - dış enerji seviyesinin s- ve p-elektronları, d-elementler için - dış ve d-elektronların s-elektronları f-elementler için dış ön enerji seviyelerinin - dıştaki s-elektronları ve üçüncü dış enerji seviyelerinin f-elektronları.

Genellikle beş ana kimyasal bağlanma türü vardır: iyonik, kovalent, metalik, hidrojen, Ve moleküller arası etkileşimler van der Waals kuvvetlerinin neden olduğu ve ilk üç bağlantı türü son ikisinden önemli ölçüde daha güçlüdür.

Modern kimyasal bağlanma doktrini kuantum mekaniği kavramlarına dayanmaktadır. Kimyasal bağları tanımlamak için şu anda yaygın olarak iki yöntem kullanılmaktadır: değerlik bağı yöntemi(MVS) ve moleküler yörünge yöntemi(MMO).

BC yöntemi daha basit ve daha görsel olduğundan, kimyasal bağlanma teorisini değerlendirmeye onunla başlayacağız.

En yaygın kovalent kimyasal bağı ele alalım.

Değerlik bağı yöntemi

BC yöntemi aşağıdaki hükümlere dayanmaktadır.

1. Kovalent bir kimyasal bağ, spinleri zıt yönde olan iki elektron tarafından oluşturulur ve bu elektron çifti aynı anda iki atoma aittir. Atomların kendileri bireyselliklerini korurlar.

2. Kovalent bir kimyasal bağ, etkileşime giren elektron bulutları ne kadar üst üste binerse o kadar güçlü olur.

Kelimenin geniş anlamıyla kovalent bağ atomlar arasında elektronların paylaşılmasıyla gerçekleştirilen kimyasal bir bağdır. Kovalent bağ, evrensel, en yaygın kimyasal bağ türü olarak düşünülebilir.

Bir moleküldeki elektronun durumunu doğru bir şekilde tanımlamak için, karşılık gelen elektron ve çekirdek sistemi için minimum enerji koşulunu belirten Schrödinger denklemini çözmek gerekir. Ancak günümüzde Schrödinger denklemini çözmek yalnızca en basit sistemler için mümkündür. Elektron dalga fonksiyonunun ilk yaklaşık hesaplaması 1927 yılında Heitler ve London tarafından hidrojen molekülü için yapılmıştır.

Pirinç. 4.1. İki hidrojen atomundan oluşan bir sistemin enerjisinin bağımlılığı

paralel (1) ve elektronlar için çekirdekler arası mesafe

antiparalel (2) dönüşler.

Çalışmaları sonucunda sistemin potansiyel enerjisini iki hidrojen atomunun çekirdekleri arasındaki mesafeye bağlayan bir denklem elde ettiler. Hesaplama sonuçlarının, her iki elektronun dönüşlerinin aynı veya zıt işaretli olmasına bağlı olduğu ortaya çıktı.

Paralel spinlerle atomların yaklaşması sistemin enerjisinde sürekli bir artışa yol açar. Zıt yönlü dönüşlerle atomlar birbirlerine belirli bir mesafe kadar yaklaşırlar. r 0 sistemin enerjisinde bir azalma eşlik eder ve ardından tekrar artmaya başlar (Şekil 4.1).

Böylece, elektron dönüşleri paralel ise, enerji nedenleriyle kimyasal bir bağ oluşumu meydana gelmez, ancak zıt yöndeki elektron dönüşleri durumunda, bir H2 molekülü oluşur - iki hidrojen atomundan oluşan kararlı bir sistem, aralarındaki mesafe. çekirdekleri olan r 0 .

Bu mesafe r 0 atom yarıçapının iki katından önemli ölçüde daha az (bir hidrojen molekülü için - sırasıyla 0,074 ve 0,106 nm), bu nedenle, bir kimyasal bağ oluştuğunda, elektron bulutlarının ve reaksiyona giren atomların karşılıklı örtüşmesi meydana gelir (Şekil 3.2).

Pirinç. 4.2. Oluşum sırasında elektron bulutu örtüşmesinin şeması

hidrojen molekülleri

Bulutların üst üste binmesi nedeniyle çekirdekler arasındaki elektron yoğunluğu artar ve bu negatif yük bölgesi ile etkileşen atomların pozitif yüklü çekirdekleri arasındaki çekici kuvvetler artar. Çekici kuvvetlerdeki artışa enerji salınımı eşlik eder ve bu da kimyasal bir bağın oluşmasına yol açar.

Yapısal formülleri tasvir ederken, bir bağ bir çizgi veya iki noktayla gösterilir (nokta bir elektronu belirtir):

N – N N: N

Ele alınan durumda, hidrojen atomlarının s-orbitallerinde bulunan elektronlar paylaşılmaktadır. Hidrojen atomunun başka elektronu yoktur. Örneğin halojenler söz konusu olduğunda, etkileşime giren her atom ayrıca dış enerji seviyesinde kimyasal bir bağın oluşumunda yer almayan üç çift elektrona sahiptir (iki s-elektron ve dört p-elektron):

F2 molekülündeki kimyasal bağ, atomik p-orbitallerinde bulunan eşleşmemiş elektronların etkileşimi nedeniyle oluşur; geri kalan elektronlar, kimyasal bağın oluşumunda yer almaz (bunlara genellikle yalnız elektron çiftleri denir).

H2 ve F2 moleküllerinin oluşumunda her atomdan yalnızca bir elektron rol alır. Bir çift elektronun oluşturduğu kovalent bağa denir Bekar iletişim

İki veya üç çift elektronun oluşturduğu bağa denir çoklu iletişim Böylece oksijen ve nitrojen atomları sırasıyla iki ve üç eşleşmemiş elektron içerir:

Sonuç olarak, O2 ve N2 moleküllerinin oluşumunda sırasıyla her atomdan iki veya üç elektron rol alır. Böylece oksijen molekülündeki bağ çift, nitrojen molekülündeki bağ ise üçlüdür:

Çoklu bağ nasıl oluşturulabilir? Bu durumlarda tüm bağlantılar eşit mi? Bu ve diğer ilgili soruları yanıtlamak için kovalent bağın temel özelliklerini dikkate almalıyız.

Ve diğerleri. Toplanma durumundaki bir değişikliğe serbest enerji, entropi, yoğunluk ve diğer temel fiziksel özelliklerde ani bir değişiklik eşlik edebilir.

Herhangi bir maddenin yalnızca üç durumdan birinde bulunabileceği bilinmektedir: katı, sıvı veya gaz halinde; bunun klasik bir örneği buz, sıvı ve buhar formunda olabilen sudur. Ancak tüm Evreni bir bütün olarak ele alırsak, bu tartışılmaz ve yaygın hallerde bulunan çok az madde vardır. Kimyada ihmal edilebilir izler olarak kabul edilenleri aşmaları pek olası değildir. Evrendeki diğer tüm maddeler plazma halindedir.

1. Plazma nedir?

19. yüzyılın ortalarında “plazma” kelimesi (Yunanca “plazma” - “oluşmuş”)

V. Kanın renksiz kısmı (kırmızı ve beyaz cisimler olmadan) olarak adlandırılmaya başlandı ve

Canlı hücreleri dolduran sıvı. 1929'da Amerikalı fizikçiler Irving Langmuir (1881–1957) ve Levi Tonko (1897–1971), gaz deşarj tüpü plazmasında iyonize gaz adını verdiler.

Elektrik eğitimi alan İngiliz fizikçi William Crookes (1832-1919)

seyreltilmiş hava içeren tüplerdeki deşarj, şunları yazdı: “Tahliye edilen olaylar

tüpler fizik bilimi için maddenin dördüncü durumda var olabileceği yeni bir dünyanın kapılarını açıyor.”

Sıcaklığa bağlı olarak her madde değişir

durum. Böylece negatif (Santigrat) sıcaklıklarda su katı halde, 0 ila 100 °C aralığında - sıvı halde, 100 °C'nin üzerinde - sıcaklık yükselmeye devam ederse, atomlar ve moleküller gaz halindedir. Elektronlarını kaybetmeye başlarlar - iyonlaşırlar ve gaz plazmaya dönüşür. 1.000.000 ° C'nin üzerindeki sıcaklıklarda plazma tamamen iyonlaşır - yalnızca elektronlardan ve pozitif iyonlardan oluşur. Plazma, maddenin doğadaki en yaygın halidir. Evrenin kütlesinin yaklaşık %99'u, yıldızların çoğunluğu, tamamen iyonlaşmış plazmadır. Dünya atmosferinin dış kısmı da (iyonosfer) plazmadır.

Plazma içeren radyasyon kuşakları daha da yüksektir.

Auroralar, yıldırımlar, küresel yıldırımlar da dahil olmak üzere, Dünya'daki doğal koşullar altında gözlemlenebilen farklı plazma türleridir. Ve Evrenin yalnızca önemsiz bir kısmı katı maddeden oluşur - gezegenler, asteroitler ve toz bulutsuları.

Fizikte plazma elektriksel olarak oluşan bir gaz olarak anlaşılır.

Toplam elektrik yükünün sıfır olduğu yüklü ve nötr parçacıklar, yani. yarı tarafsızlık koşulu karşılanmıştır (bu nedenle, örneğin vakumda uçan bir elektron ışını plazma değildir: negatif bir yük taşır).

1.1. Plazmanın en tipik formları

Plazmanın özellikleri ve parametreleri

Plazma aşağıdaki özelliklere sahiptir:

Düşük sıcaklıktaki plazma, düşük derecede iyonizasyon (% 1'e kadar) ile karakterize edilir. Bu tür plazmalar teknolojik işlemlerde oldukça sık kullanıldığından bazen teknolojik plazmalar olarak da adlandırılırlar. Çoğu zaman, elektronları hızlandıran ve dolayısıyla atomları iyonlaştıran elektrik alanları kullanılarak yaratılırlar. Elektrik alanları, endüktif veya kapasitif bağlantı yoluyla gaza verilir (bkz. endüktif olarak eşleşmiş plazma). Düşük sıcaklıktaki plazmanın tipik uygulamaları arasında yüzey özelliklerinin plazma modifikasyonu (elmas filmler, metal nitrürleme, ıslanabilirlik modifikasyonu), yüzeylerin plazmayla aşındırılması (yarı iletken endüstrisi), gazların ve sıvıların saflaştırılması (dizel motorlarda suyun ozonlanması ve kurum parçacıklarının yakılması) yer alır. .

Sıcak plazma neredeyse her zaman tamamen iyonizedir (iyonizasyon derecesi ~%100). Genellikle “maddenin dördüncü durumu” olarak anlaşılan tam olarak budur. Bir örnek Güneş'tir.

2.4. Yoğunluk

Plazmanın varlığı için temel olan sıcaklığın yanı sıra plazmanın ikinci en önemli özelliği yoğunluğudur. Plazma yoğunluğu ifadesi genellikle elektron yoğunluğu, yani birim hacim başına serbest elektron sayısı anlamına gelir (kesin olarak konuşursak, burada yoğunluğa konsantrasyon denir - birim hacmin kütlesi değil, birim hacim başına parçacık sayısı). Yarı nötr bir plazmada iyon yoğunluğu, iyonların ortalama yük sayısı aracılığıyla bununla ilişkilidir: . Bir sonraki önemli miktar nötr atomların yoğunluğudur n0. Sıcak bir plazmada n0 küçüktür ancak yine de plazmadaki süreçlerin fiziği açısından önemli olabilir. Yoğun, ideal olmayan bir plazmadaki süreçler göz önüne alındığında, karakteristik yoğunluk parametresi ortalama parçacıklar arası mesafenin Bohr yarıçapına oranı olarak tanımlanan rs olur.

2.5. Yarı tarafsızlık

Plazma çok iyi bir iletken olduğundan elektriksel özellikler önemlidir. Plazma potansiyeli veya uzay potansiyeli, uzayda belirli bir noktadaki elektrik potansiyelinin ortalama değeridir. Plazmaya herhangi bir cisim sokulursa, Debye katmanının ortaya çıkması nedeniyle potansiyeli genellikle plazma potansiyelinden daha az olacaktır. Bu potansiyele yüzen potansiyel denir. İyi elektrik iletkenliği nedeniyle plazma tüm elektrik alanlarını koruma eğilimindedir. Bu, yarı tarafsızlık olgusuna yol açar - negatif yüklerin yoğunluğu, iyi bir doğrulukla pozitif yüklerin yoğunluğuna eşittir (). Plazmanın iyi elektriksel iletkenliği nedeniyle, Debye uzunluğundan daha büyük mesafelerde ve bazen de plazma salınım periyodundan daha büyük mesafelerde pozitif ve negatif yüklerin ayrılması imkansızdır.

Nötr olmayan bir plazmanın bir örneği bir elektron ışınıdır. Bununla birlikte, nötr olmayan plazmaların yoğunluğu çok küçük olmalıdır, aksi takdirde Coulomb itmesi nedeniyle hızla bozunurlar.

Matematiksel açıklama

Plazma çeşitli ayrıntı düzeylerinde tanımlanabilir. Genellikle plazma elektromanyetik alanlardan ayrı olarak tanımlanır.

3.1. Sıvı (sıvı) modeli

Akışkan modelinde elektronlar yoğunluk, sıcaklık ve ortalama hız cinsinden tanımlanır. Model aşağıdakilere dayanmaktadır: yoğunluk için denge denklemi, momentum korunumu denklemi ve elektron enerji dengesi denklemi. İki akışkanlı modelde iyonlar aynı şekilde işlenir.

3.2. Kinetik açıklama

Bazen sıvı modeli plazmayı tanımlamak için yeterli olmayabilir. Daha ayrıntılı bir açıklama, plazmanın elektronların koordinatlar ve momentumlar üzerindeki dağılım fonksiyonu açısından tanımlandığı kinetik model tarafından verilmektedir. Model Boltzmann denklemine dayanmaktadır. Boltzmann denklemi, Coulomb kuvvetlerinin uzun menzilli doğasından dolayı, Coulomb etkileşimi olan yüklü parçacıklardan oluşan bir plazmayı tanımlamak için uygulanamaz. Bu nedenle, Coulomb etkileşimli plazmayı tanımlamak için, yüklü plazma parçacıkları tarafından oluşturulan kendi kendine tutarlı bir elektromanyetik alana sahip Vlasov denklemi kullanılır. Kinetik açıklama, termodinamik dengenin olmadığı veya güçlü plazma homojensizliklerinin varlığında kullanılmalıdır.

3.3. Hücre İçi Parçacık (hücre içindeki parçacık)

Hücre İçi Parçacık modelleri kinetik modellerden daha ayrıntılıdır. Çok sayıda bireysel parçacığın yörüngesini izleyerek kinetik bilgiyi birleştirirler. Elektrik yoğunluğu yük ve akım, söz konusu problemle karşılaştırıldığında küçük olan ancak yine de çok sayıda parçacık içeren hücrelerdeki parçacıkların toplanmasıyla belirlenir. E-posta ve mag. Alanlar hücre sınırlarındaki yük ve akım yoğunluklarından bulunur.

4. Plazma kullanımı

Plazma en yaygın olarak aydınlatma teknolojisinde, sokakları aydınlatan gaz deşarjlı lambalarda ve iç mekanlarda kullanılan floresan lambalarda kullanılır. Ve ayrıca çeşitli gaz deşarj cihazlarında: elektrik akımı redresörleri, voltaj stabilizatörleri, plazma amplifikatörleri ve ultra yüksek frekanslı (mikrodalga) jeneratörler, kozmik parçacık sayaçları. Gaz lazerleri olarak adlandırılan tüm lazerler (helyum-neon, kripton, karbondioksit vb.) aslında plazmadır: içlerindeki gaz karışımları bir elektrik deşarjı ile iyonize edilir. Plazmanın karakteristik özellikleri, metaldeki iletken elektronlar (kristal kafeste sıkı bir şekilde sabitlenmiş iyonlar yüklerini nötralize eder), bir dizi serbest elektron ve yarı iletkenlerdeki hareketli "delikler" (boşluklar) tarafından sağlanır. Bu nedenle bu tür sistemlere katı hal plazması adı verilir. Gaz plazması genellikle 100 bin dereceye kadar düşük sıcaklığa ve 100 milyon dereceye kadar yüksek sıcaklığa bölünür. Elektrik arkı kullanan düşük sıcaklıklı plazma - plazmatron jeneratörleri vardır. Bir plazma meşale kullanarak hemen hemen her gazı saniyenin yüzde biri ve binde biri kadar sürede 7000-10000 dereceye kadar ısıtabilirsiniz. Plazma meşalesinin yaratılmasıyla yeni bir bilim alanı ortaya çıktı - plazma kimyası: birçok kimyasal reaksiyon hızlandırılır veya yalnızca bir plazma jetinde meydana gelir. Plazmatronlar madencilik endüstrisinde ve metallerin kesilmesinde kullanılır. Plazma motorları ve manyetohidrodinamik enerji santralleri de oluşturuldu. Yüklü parçacıkların plazma hızlandırılmasına yönelik çeşitli planlar geliştirilmektedir. Plazma fiziğinin temel problemi kontrollü termonükleer füzyon problemidir. Termonükleer reaksiyonlar, çok yüksek sıcaklıklarda (> 108 K ve üzeri) meydana gelen, hafif elementlerin çekirdeklerinden (öncelikle hidrojen izotopları - döteryum D ve trityum T) daha ağır çekirdeklerin sentezidir. Doğal koşullar altında Güneş'te termonükleer reaksiyonlar meydana gelir: Hidrojen çekirdekleri birbirleriyle birleşerek helyum çekirdekleri oluşturur ve önemli miktarda enerji açığa çıkar. Hidrojen bombasında yapay bir termonükleer füzyon reaksiyonu gerçekleştirildi.

Çözüm

Plazma sadece fizikte değil aynı zamanda kimya (plazma kimyası), astronomi ve diğer birçok bilimde de hala az çalışılan bir nesnedir. Bu nedenle plazma fiziğinin en önemli teknik prensipleri henüz laboratuvar geliştirme aşamasını terk etmemiştir. Şu anda plazma aktif olarak inceleniyor çünkü bilim ve teknoloji açısından büyük önem taşımaktadır. Bu konu da ilginçtir çünkü plazma, 20. yüzyıla kadar insanların varlığından şüphelenmediği maddenin dördüncü halidir.

Kaynakça

1. Wurzel F.B., Polak L.S. Plazmokimya, M, Znanie, 1985.
2. Oraevsky N.V. Dünya'da ve uzayda plazma, K, Naukova Dumka, 1980.

Herkesin maddenin 3 ana halini bildiğini düşünüyorum: sıvı, katı ve gaz. Maddenin bu halleriyle her gün, her yerde karşılaşıyoruz. Çoğu zaman su örneğini kullanarak kabul edilirler. Suyun sıvı hali bize en tanıdık gelen durumdur. Sürekli sıvı su içiyoruz, musluğumuzdan akıyor ve biz de %70 sıvı suyuz. Suyun ikinci fiziksel hali kışın sokakta gördüğümüz sıradan buzdur. Suyun günlük yaşamda gaz halinde bulunması da kolaydır. Gaz halindeki su hepimizin bildiği gibi buhardır. Örneğin bir su ısıtıcısını kaynattığımızda görülebilir. Evet, suyun sıvı halden gaz haline geçmesi 100 derecede gerçekleşir.

Bunlar maddenin bize tanıdık gelen üç halidir. Ama aslında 4 tane olduğunu biliyor muydunuz? Sanırım herkes “plazma” kelimesini en az bir kez duymuştur. Ve bugün ayrıca maddenin dördüncü hali olan plazma hakkında daha fazla bilgi edinmenizi istiyorum.

Plazma, hem pozitif hem de negatif yüklerin eşit yoğunluklarına sahip, kısmen veya tamamen iyonize bir gazdır. Plazma, bir maddenin güçlü ısıtma yoluyla toplanmasının 3. durumundan gazdan elde edilebilir. Genel olarak toplanma durumu aslında tamamen sıcaklığa bağlıdır. Agregasyonun ilk durumu, cismin katı kaldığı en düşük sıcaklıktır, ikinci agregasyon durumu, cismin erimeye ve sıvı hale gelmeye başladığı sıcaklıktır, üçüncü agregasyon durumu, maddenin katılaştığı en yüksek sıcaklıktır. bir gaz. Her vücut, madde için, bir toplanma durumundan diğerine geçiş sıcaklığı tamamen farklıdır, bazıları için daha düşük, bazıları için daha yüksektir, ancak herkes için kesinlikle bu sırayladır. Bir madde hangi sıcaklıkta plazma haline gelir? Bu dördüncü durum olduğundan, ona geçiş sıcaklığının öncekilerden daha yüksek olduğu anlamına gelir. Ve gerçekten de öyle. Bir gazı iyonize etmek için çok yüksek bir sıcaklığa ihtiyaç vardır. En düşük sıcaklık ve düşük iyonize (yaklaşık% 1) plazma, 100 bin dereceye kadar bir sıcaklıkla karakterize edilir. Karasal koşullar altında bu tür plazmalar yıldırım şeklinde gözlemlenebilir. Yıldırım kanalının sıcaklığı, Güneş yüzeyinin sıcaklığından 6 kat daha yüksek olan 30 bin dereceyi geçebilmektedir. Bu arada, Güneş ve diğer tüm yıldızlar da çoğunlukla yüksek sıcaklıktaki plazmadır. Bilim, Evrendeki tüm maddelerin yaklaşık %99'unun plazma olduğunu kanıtlıyor.

Düşük sıcaklıktaki plazmanın aksine, yüksek sıcaklıktaki plazma neredeyse %100 iyonizasyona ve 100 milyon dereceye kadar sıcaklığa sahiptir. Bu gerçekten yıldız sıcaklığıdır. Dünya'da bu tür plazma yalnızca tek bir durumda bulunur - termonükleer füzyon deneyleri için. Kontrollü bir reaksiyon oldukça karmaşık ve enerji tüketir, ancak kontrolsüz bir reaksiyonun muazzam güce sahip bir silah olduğu kanıtlanmıştır - 12 Ağustos 1953'te SSCB tarafından test edilen bir termonükleer bomba.

Plazma yalnızca sıcaklık ve iyonlaşma derecesine göre değil aynı zamanda yoğunluk ve yarı nötrlüğe göre de sınıflandırılır. sıralama plazma yoğunluğu genellikle anlamına gelir elektron yoğunluğu yani birim hacim başına serbest elektron sayısı. Bununla her şeyin açık olduğunu düşünüyorum. Ancak herkes yarı tarafsızlığın ne olduğunu bilmiyor. Plazma yarı nötrlüğü, bileşimindeki pozitif iyonların ve elektronların yoğunluklarının neredeyse tam eşitliğinden oluşan en önemli özelliklerinden biridir. Plazmanın iyi elektriksel iletkenliği nedeniyle, Debye uzunluğundan daha büyük mesafelerde ve bazen de plazma salınım periyodundan daha büyük mesafelerde pozitif ve negatif yüklerin ayrılması imkansızdır. Neredeyse tüm plazma yarı nötrdür. Nötr olmayan bir plazmanın bir örneği bir elektron ışınıdır. Bununla birlikte, nötr olmayan plazmaların yoğunluğu çok küçük olmalıdır, aksi takdirde Coulomb itmesi nedeniyle hızla bozunurlar.

Çok az sayıda karasal plazma örneğine baktık. Ama onlardan oldukça fazla var. İnsan plazmayı kendi yararına kullanmayı öğrendi. Maddenin dördüncü hali sayesinde gaz deşarjlı lambaları, plazma televizyonları, elektrik ark kaynağını ve lazerleri kullanabiliyoruz. Geleneksel floresan deşarj lambaları da plazmadır. Dünyamızda bir de plazma lambası var. Esas olarak bilimde filamentasyon da dahil olmak üzere en karmaşık plazma olaylarını incelemek ve en önemlisi görmek için kullanılır. Böyle bir lambanın fotoğrafı aşağıdaki resimde görülebilir:

Ev tipi plazma cihazlarının yanı sıra doğal plazma da Dünya'da sıklıkla görülebilmektedir. Onun örneklerinden birinden zaten bahsetmiştik. Bu yıldırım. Ancak yıldırımın yanı sıra plazma fenomenine kuzey ışıkları, "St. Elmo'nun ateşi", Dünya'nın iyonosferi ve tabii ki ateş de denilebilir.

Ateşin, şimşeklerin ve plazmanın diğer belirtilerinin (bizim tabirimizle) yandığına dikkat edin. Plazmadan bu kadar parlak bir ışık emisyonuna neden olan şey nedir? Plazma parıltısı, elektronların iyonlarla rekombinasyondan sonra yüksek enerjili bir durumdan düşük enerjili bir duruma geçişinden kaynaklanır. Bu işlem, uyarılmış gaza karşılık gelen bir spektruma sahip radyasyonla sonuçlanır. Bu yüzden plazma parlıyor.

Plazmanın tarihçesinden de biraz bahsetmek istiyorum. Sonuçta, bir zamanlar sadece sütün sıvı bileşeni ve kanın renksiz bileşeni gibi maddelere plazma deniyordu. 1879'da her şey değişti. O yıl ünlü İngiliz bilim adamı William Crookes, gazlardaki elektriksel iletkenliği incelerken plazma olayını keşfetti. Doğru, maddenin bu durumuna ancak 1928'de plazma adı verildi. Ve bu Irving Langmuir tarafından yapıldı.

Sonuç olarak, bu sitede defalarca yazdığım yıldırım topu gibi ilginç ve gizemli bir olgunun elbette sıradan yıldırım gibi bir plazmoid olduğunu da söylemek istiyorum. Bu belki de tüm karasal plazma olguları arasında en sıra dışı plazmoiddir. Sonuçta, yıldırım topuyla ilgili yaklaşık 400 farklı teori var, ancak bunlardan hiçbirinin gerçekten doğru olduğu kabul edilmedi. Laboratuvar koşullarında, benzer ancak kısa vadeli fenomenler birkaç farklı yolla elde edildi, bu nedenle yıldırım topunun doğası hakkındaki soru hala açık.

Elbette sıradan plazma da laboratuvarlarda oluşturuldu. Bu bir zamanlar zordu ama artık böyle bir deney o kadar da zor değil. Plazma günlük cephaneliğimize sıkı bir şekilde girdiğinden, laboratuvarlarda onun üzerinde birçok deney yapılıyor.

Plazma alanındaki en ilginç keşif, sıfır yerçekiminde plazma ile yapılan deneylerdi. Plazmanın vakumda kristalleştiği ortaya çıktı. Şöyle olur: Yüklü plazma parçacıkları birbirini itmeye başlar ve sınırlı bir hacme sahip olduklarında, kendilerine ayrılan alanı kaplayarak farklı yönlere dağılırlar. Bu kristal kafese oldukça benzer. Bu, plazmanın maddenin birinci hali ile üçüncü hali arasındaki kapanış halkası olduğu anlamına gelmiyor mu? Sonuçta, gazın iyonlaşması nedeniyle bir plazma haline gelir ve vakumda plazma yine katı gibi olur. Ama bu sadece benim tahminim.

Uzaydaki plazma kristalleri de oldukça tuhaf bir yapıya sahiptir. Bu yapı yalnızca uzayda, uzayın gerçek boşluğunda gözlemlenebilir ve incelenebilir. Dünya'da bir boşluk yaratıp plazmayı oraya yerleştirseniz bile, yerçekimi içeride oluşan tüm "resmi" sıkıştıracaktır. Uzayda, plazma kristalleri basitçe havalanır ve tuhaf bir şekle sahip üç boyutlu, üç boyutlu bir yapı oluşturur. Yörüngedeki plazmayı gözlemlemenin sonuçlarını Dünya'daki bilim adamlarına gönderdikten sonra, plazmadaki girdapların garip bir şekilde galaksimizin yapısını tekrarladığı ortaya çıktı. Bu, gelecekte plazmayı inceleyerek galaksimizin nasıl doğduğunu anlamanın mümkün olacağı anlamına geliyor. Aşağıdaki fotoğraflar aynı kristalize plazmayı göstermektedir.

Tipik plazma örnekleri

Plazma maddenin en yaygın halidir. Gözlemlenenlerin %99'undan fazlası plazmadan oluşur. Aşağıdaki plazma formları iyi bilinmektedir:

• Laboratuvar ve endüstriyel
  • Alevler
  • Kaynak arkı
  • Roket egzozu
  • Kontrollü termonükleer füzyon için plazma
• Doğal
  • ve diğerleri (termonükleer füzyonla oluşturulmuş)
  • Yıldızlararası gaz

Özellikler

Plazma terimi, kolektif etkiler yaratacak kadar büyük yüklü parçacıklardan oluşan sistemler için kullanılır. Mikroskobik küçük miktarlardaki yüklü parçacıklar (örneğin iyon tuzaklarındaki iyon ışınları) plazma değildir. Plazma aşağıdaki özelliklere sahiptir:

1. Debye tarama uzunluğu, plazmanın karakteristik boyutuyla karşılaştırıldığında küçüktür.
   • r_D/L<<1\,
2. C küresinin içinde çok sayıda yüklü parçacık vardır.
   • r_D^3N>>1\,, Nerede N\,- yüklü parçacıkların konsantrasyonu
3. Parçacık çarpışmaları arasındaki ortalama süre, plazma salınımlarının periyoduyla karşılaştırıldığında uzundur.
   • \tau\omega_(pl)>>1\,

sınıflandırma

Plazma genellikle ikiye ayrılır düşük sıcaklık Ve Yüksek sıcaklık, denge Ve dengesizlik ve sıklıkla soğuk plazma dengesizdir ve sıcak plazma dengededir.

Sıcaklık

Dengesiz plazmalarda elektron sıcaklığı iyon sıcaklığını önemli ölçüde aşar. Bu, iyon ve elektronun kütlelerindeki farklılık nedeniyle oluşur ve bu da enerji alışverişi sürecini zorlaştırır. Bu durum, iyonların yaklaşık yüzlerce, elektronların ise onbinlerce derece sıcaklığa sahip olduğu gaz deşarjlarında meydana gelir.

Denge plazmalarında her iki sıcaklık da eşittir. İyonlaşma süreci, iyonlaşma potansiyeline yakın sıcaklıklar gerektirdiğinden, denge plazmaları genellikle sıcaktır (sıcaklıklar birkaç bin dereceden yüksektir).

Konsept yüksek sıcaklık plazması genellikle milyonlarca derece sıcaklık gerektiren termonükleer füzyon plazması için kullanılır.

İyonlaşma derecesi

İyonlaşma derecesi, iyonize parçacıkların sayısının toplam parçacık sayısına oranı olarak tanımlanır. Düşük sıcaklıktaki plazmalar düşük iyonizasyon dereceleriyle karakterize edilir (<1 %). Так как такие плазмы довольно часто употребляются в plazma teknolojileri bazen denir teknolojik plazmalar. Çoğu zaman, elektronları hızlandıran ve dolayısıyla atomları iyonlaştıran elektrik alanları kullanılarak yaratılırlar. Elektrik alanları, endüktif veya kapasitif bağlantı yoluyla gaza verilir. Düşük sıcaklıktaki plazmaların tipik uygulamaları arasında yüzey özelliklerinin plazma modifikasyonu (elmas filmler, metal nitrürleme, ıslanabilirlik modifikasyonu), yüzeylerin plazmayla aşındırılması (yarı iletken endüstrisi), gazların ve sıvıların saflaştırılması (dizel motorlarda suyun ozonlanması ve kurum parçacıklarının yakılması) yer alır. ).

Sıcak plazmalar neredeyse her zaman tamamen iyonize olur (iyonlaşma derecesi ~%100). Genellikle “maddenin dördüncü hali” olarak anlaşılırlar. Bir örnek Güneş'tir.

Yoğunluk

Plazmanın varlığı için temel olan sıcaklığın yanı sıra plazmanın ikinci en önemli özelliği yoğunluğudur. Kelime plazma yoğunluğu genellikle anlamına gelir elektron yoğunluğu yani birim hacim başına serbest elektron sayısı (kesin olarak konuşursak, burada yoğunluğa konsantrasyon denir - birim hacmin kütlesi değil, birim hacim başına parçacık sayısı). İyon yoğunluğu ortalama iyon şarj sayısıyla ona bağlı \langle Z\rangle: n_e=\langle Z\rangle n_i. Bir sonraki önemli miktar nötr atomların yoğunluğudur. N 0. Sıcak plazmada N 0 küçüktür ancak yine de plazmadaki süreçlerin fiziği açısından önemli olabilir.

Yarı tarafsızlık

Plazma çok iyi bir iletken olduğundan elektriksel özellikler önemlidir. Plazma potansiyeli veya uzay potansiyeli uzayda belirli bir noktadaki elektrik potansiyelinin ortalama değeri denir. Plazmaya herhangi bir cisim sokulursa, Debye katmanının ortaya çıkması nedeniyle potansiyeli genellikle plazma potansiyelinden daha az olacaktır. Bu potansiyel denir yüzen potansiyel. İyi elektrik iletkenliği nedeniyle plazma tüm elektrik alanlarını koruma eğilimindedir. Bu, yarı tarafsızlık olgusuna yol açar - negatif yüklerin yoğunluğu, iyi bir doğrulukla pozitif yüklerin yoğunluğuna eşittir ( n_e=\langle Z\rangle n_i). Plazmanın iyi elektriksel iletkenliği nedeniyle, Debye uzunluğundan daha büyük mesafelerde ve bazen de plazma salınım periyodundan daha büyük mesafelerde pozitif ve negatif yüklerin ayrılması imkansızdır.

Nötr olmayan bir plazmanın bir örneği bir elektron ışınıdır. Bununla birlikte, nötr olmayan plazmaların yoğunluğu çok küçük olmalıdır, aksi takdirde Coulomb itmesi nedeniyle hızla bozunurlar.

Gaz halindeki farklılıklar

Plazma sıklıkla denir maddenin dördüncü hali. Belirli bir şekle veya hacme sahip olmaması nedeniyle gaz fazına benzer olmasına rağmen, maddenin üç daha az enerjik halinden farklıdır. Plazmanın ayrı bir toplanma durumu mu yoksa sadece sıcak bir gaz mı olduğu konusunda hala tartışmalar var. Çoğu fizikçi, aşağıdaki farklılıklardan dolayı plazmanın bir gazdan daha fazlası olduğuna inanmaktadır:

Mülk	Gaz	Plazma
Elektiriksel iletkenlik	Çok küçük	Çok yüksek Akım aktığında, potansiyelde küçük ama yine de sonlu bir düşüş meydana gelmesine rağmen, çoğu durumda plazmadaki elektrik alanının sıfıra eşit olduğu düşünülebilir. Bir elektrik alanının varlığıyla ilişkili yoğunluk gradyanları Boltzmann dağılımı aracılığıyla ifade edilebilir. Akımları iletme yeteneği, plazmayı manyetik alanın etkisine karşı oldukça duyarlı hale getirir; bu da filamentasyon, katmanların ve jetlerin ortaya çıkması gibi olaylara yol açar. Elektrik ve manyetik kuvvetler yerçekimsel kuvvetlerden çok daha güçlü olduğundan kolektif etkilerin varlığı tipiktir.
Parçacık türlerinin sayısı	Bir	İki veya üç Elektronlar, iyonlar ve nötr parçacıklar elektron işaretleriyle ayırt edilir. şarj olurlar ve birbirlerinden bağımsız olarak davranabilirler - farklı hızlara ve hatta sıcaklıklara sahiptirler, bu da dalgalar ve kararsızlıklar gibi yeni olayların ortaya çıkmasına neden olur.
Hız dağıtımı	Maxwell'in	Maxwellci olmayabilir Elektrik alanlarının parçacık hızları üzerinde çarpışmalardan farklı bir etkisi vardır ve bu her zaman hız dağılımının Maxwellizasyonuna yol açar. Coulomb çarpışma kesitinin hıza bağımlılığı bu farkı artırabilir ve iki sıcaklık dağılımları ve kaçak elektronlar gibi etkilere yol açabilir.
Etkileşim türü	İkili Kural olarak, iki parçacık çarpışmaları, üç parçacık çarpışmaları son derece nadirdir.	Toplu Her parçacık aynı anda pek çok parçacıkla etkileşime girer. Bu kolektif etkileşimler, iki parçacık etkileşimlerinden çok daha büyük bir etkiye sahiptir.

Matematiksel açıklama

Plazma çeşitli ayrıntı düzeylerinde tanımlanabilir. Genellikle plazma elektromanyetik alanlardan ayrı olarak tanımlanır. İletken bir sıvı ve elektromanyetik alanların ortak bir açıklaması manyetohidrodinamik fenomen teorisinde veya MHD teorisinde verilmiştir.

Sıvı (sıvı) modeli

Akışkan modelinde elektronlar yoğunluk, sıcaklık ve ortalama hız cinsinden tanımlanır. Model aşağıdakilere dayanmaktadır: yoğunluk için denge denklemi, momentum korunumu denklemi ve elektron enerji dengesi denklemi. İki akışkanlı modelde iyonlar aynı şekilde işlenir.

Kinetik açıklama

Bazen sıvı modeli plazmayı tanımlamak için yeterli olmayabilir. Kinetik modelde daha ayrıntılı bir açıklama verilmiştir. Plazma, Elektron Hızı Dağıtım Fonksiyonu cinsinden tanımlanır. Model esas alınmıştır. Plazma ve elektriği bir arada anlatırken. alanlarda Vlasov denklem sistemi kullanılır. Kinetik açıklama, termodinamik dengenin olmadığı veya güçlü plazma homojensizliklerinin varlığında kullanılmalıdır.

Hücre İçi Parçacık (hücre içindeki parçacık)

Hücre İçi Parçacık modelleri kinetik modellerden daha ayrıntılıdır. Çok sayıda bireysel parçacığın yörüngesini izleyerek kinetik bilgiyi birleştirirler. Elektrik yoğunluğu yük ve akım, söz konusu problemle karşılaştırıldığında küçük olan ancak yine de çok sayıda parçacık içeren hücrelerdeki parçacıkların toplanmasıyla belirlenir. E-posta ve mag. Alanlar hücre sınırlarındaki yük ve akım yoğunluklarından bulunur.

Temel plazma özellikleri

eV olarak verilen sıcaklık ve proton kütle birimleriyle verilen iyon kütlesi dışında tüm nicelikler Gauss birimleriyle verilmiştir. μ = M Ben / M P ; Z- Görev numarası; k– Boltzmann sabiti; İLE– dalga boyu; γ - adyabatik indeks; ln Λ - Coulomb logaritması.

Frekanslar

• Elektronun Larmor frekansı, elektronun manyetik alana dik bir düzlemdeki dairesel hareketinin açısal frekansı:

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

• İyonun Larmor frekansı, iyonun manyetik alana dik bir düzlemdeki dairesel hareketinin açısal frekansı:

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

• plazma frekansı(plazma salınım frekansı), elektronların iyonlara göre yer değiştirdiğinde denge konumu etrafında salınma frekansı:

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

• iyon plazma frekansı:

\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/sn)

• elektron çarpışma frekansı

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

• iyon çarpışma frekansı

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

Uzunluklar

• De Broglie elektron dalga boyu, kuantum mekaniğinde elektron dalga boyu:

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

• klasik durumda minimum yaklaşma mesafesi, kuantum mekaniksel etkileri ihmal ederek, iki yüklü parçacığın kafa kafaya çarpışmada birbirine yaklaşabileceği minimum mesafe ve parçacıkların sıcaklığına karşılık gelen başlangıç ​​hızı:

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

• elektronun jiromanyetik yarıçapı, bir elektronun manyetik alana dik bir düzlemdeki dairesel hareket yarıçapı:

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

• iyon jiromanyetik yarıçapı, iyonun manyetik alana dik bir düzlemdeki dairesel hareket yarıçapı:

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

• plazma cilt katmanı boyutu, elektromanyetik dalgaların plazmaya nüfuz edebileceği mesafe:

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

• (Debye uzunluğu), elektronların yeniden dağıtımı nedeniyle elektrik alanlarının perdelendiği mesafe:

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

Hızlar

• termal elektron hızı, elektronların hızını tahmin etmek için formül. Ortalama hız, en olası hız ve ortalama kare hızın kökü bu ifadeden yalnızca birlik derecesindeki faktörlerle farklılık gösterir:

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

• termal iyon hızı, iyon hızını tahmin etmek için formül

Herkesin maddenin 3 ana halini bildiğini düşünüyorum: sıvı, katı ve gaz. Maddenin bu halleriyle her gün, her yerde karşılaşıyoruz. Çoğu zaman su örneğini kullanarak kabul edilirler. Suyun sıvı hali bize en tanıdık gelen durumdur. Sürekli sıvı su içiyoruz, musluğumuzdan akıyor ve biz de %70 sıvı suyuz. Suyun ikinci fiziksel hali kışın sokakta gördüğümüz sıradan buzdur. Suyun günlük yaşamda gaz halinde bulunması da kolaydır. Gaz halindeki su hepimizin bildiği gibi buhardır. Örneğin bir su ısıtıcısını kaynattığımızda görülebilir. Evet, suyun sıvı halden gaz haline geçmesi 100 derecede gerçekleşir.

Bunlar maddenin bize tanıdık gelen üç halidir. Ama aslında 4 tane olduğunu biliyor muydunuz? Sanırım herkes şu kelimeyi duymuştur " plazma" Ve bugün ayrıca maddenin dördüncü hali olan plazma hakkında daha fazla bilgi edinmenizi istiyorum.

Plazma, hem pozitif hem de negatif yüklerin eşit yoğunluklarına sahip, kısmen veya tamamen iyonize bir gazdır. Plazma, bir maddenin güçlü ısıtma yoluyla toplanmasının 3. durumundan gazdan elde edilebilir. Genel olarak toplanma durumu aslında tamamen sıcaklığa bağlıdır. Agregasyonun ilk durumu, cismin katı kaldığı en düşük sıcaklıktır, ikinci agregasyon durumu, cismin erimeye ve sıvı hale gelmeye başladığı sıcaklıktır, üçüncü agregasyon durumu, maddenin katılaştığı en yüksek sıcaklıktır. bir gaz. Her vücut, madde için, bir toplanma durumundan diğerine geçiş sıcaklığı tamamen farklıdır, bazıları için daha düşük, bazıları için daha yüksektir, ancak herkes için kesinlikle bu sırayladır. Bir madde hangi sıcaklıkta plazma haline gelir? Bu dördüncü durum olduğundan, ona geçiş sıcaklığının öncekilerden daha yüksek olduğu anlamına gelir. Ve gerçekten de öyle. Bir gazı iyonize etmek için çok yüksek bir sıcaklığa ihtiyaç vardır. En düşük sıcaklık ve düşük iyonize (yaklaşık% 1) plazma, 100 bin dereceye kadar bir sıcaklıkla karakterize edilir. Karasal koşullar altında bu tür plazmalar yıldırım şeklinde gözlemlenebilir. Yıldırım kanalının sıcaklığı, Güneş yüzeyinin sıcaklığından 6 kat daha yüksek olan 30 bin dereceyi geçebilmektedir. Bu arada, Güneş ve diğer tüm yıldızlar da çoğunlukla yüksek sıcaklıktaki plazmadır. Bilim, Evrendeki tüm maddelerin yaklaşık %99'unun plazma olduğunu kanıtlıyor.

Düşük sıcaklıktaki plazmanın aksine, yüksek sıcaklıktaki plazma neredeyse %100 iyonizasyona ve 100 milyon dereceye kadar sıcaklığa sahiptir. Bu gerçekten yıldız sıcaklığıdır. Dünya'da bu tür plazma yalnızca tek bir durumda bulunur - termonükleer füzyon deneyleri için. Reaksiyonu kontrol etmek oldukça karmaşık ve enerji yoğundur, ancak kontrolsüz reaksiyon oldukça erkendir - muazzam güce sahip bir silah gibi davrandı - 12 Ağustos 1953'te SSCB tarafından test edilen bir termo-nükleer bomba.

Plazma yalnızca sıcaklık ve iyonlaşma derecesine göre değil aynı zamanda yoğunluk ve yarı nötrlüğe göre de sınıflandırılır. sıralama plazma yoğunluğu genellikle anlamına gelir elektron yoğunluğu yani birim hacim başına serbest elektron sayısı. Bununla her şeyin açık olduğunu düşünüyorum. Ancak herkes yarı tarafsızlığın ne olduğunu bilmiyor. Plazma yarı nötrlüğü, bileşimindeki pozitif iyonların ve elektronların yoğunluklarının neredeyse tam eşitliğinden oluşan en önemli özelliklerinden biridir. Plazmanın iyi elektriksel iletkenliği nedeniyle, Debye uzunluğundan daha büyük mesafelerde ve bazen de plazma salınım periyodundan daha büyük mesafelerde pozitif ve negatif yüklerin ayrılması imkansızdır. Neredeyse tüm plazma yarı nötrdür. Nötr olmayan bir plazmanın bir örneği bir elektron ışınıdır. Bununla birlikte, nötr olmayan plazmaların yoğunluğu çok küçük olmalıdır, aksi takdirde Coulomb itmesi nedeniyle hızla bozunurlar.

Çok az sayıda karasal plazma örneğine baktık. Ama onlardan oldukça fazla var. İnsan plazmayı kendi yararına kullanmayı öğrendi. Maddenin dördüncü toplu hali sayesinde gaz deşarjlı lambalar, plazma televizyonlar, zoo-rami, ark-elektrik kaynağı, lazer-rami kullanabiliyoruz. Geleneksel gaz deşarjlı floresan lambalar da plazmadır. Dünyamızda bir de plazma lambası var. Esas olarak bilimde filamentasyon da dahil olmak üzere en karmaşık plazma olaylarını incelemek ve en önemlisi görmek için kullanılır. Böyle bir lambanın fotoğrafı aşağıdaki resimde görülebilir:

Ev tipi plazma cihazlarının yanı sıra doğal plazma da Dünya'da sıklıkla görülebilmektedir. Onun örneklerinden birinden zaten bahsetmiştik. Bu yıldırım. Ancak yıldırımın yanı sıra plazma fenomenine kuzey ışıkları, "St. Elmo'nun ateşi", Dünya'nın iyonosferi ve tabii ki ateş de denilebilir.

Ateşin, şimşeklerin ve plazmanın diğer belirtilerinin (bizim tabirimizle) yandığına dikkat edin. Plazmadan bu kadar parlak bir ışık emisyonuna neden olan şey nedir? Plazma parıltısı, elektronların iyonlarla rekombinasyondan sonra yüksek enerjili bir durumdan düşük enerjili bir duruma geçişinden kaynaklanır. Bu işlem, uyarılmış gaza karşılık gelen bir spektruma sahip radyasyonla sonuçlanır. Bu yüzden plazma parlıyor.

Plazmanın tarihçesinden de biraz bahsetmek istiyorum. Sonuçta, bir zamanlar sadece sütün sıvı bileşeni ve kanın renksiz bileşeni gibi maddelere plazma deniyordu. 1879'da her şey değişti. O yıl ünlü İngiliz bilim adamı William Crookes, gazlardaki elektriksel iletkenliği incelerken plazma olayını keşfetti. Doğru, maddenin bu durumuna ancak 1928'de plazma adı verildi. Ve bu Irving Langmuir tarafından yapıldı.

Sonuç olarak, bu sitede defalarca yazdığım yıldırım topu gibi ilginç ve gizemli bir olgunun elbette sıradan yıldırım gibi bir plazmoid olduğunu da söylemek istiyorum. Bu belki de tüm karasal plazma olguları arasında en sıra dışı plazmoiddir. Sonuçta, yıldırım topuyla ilgili yaklaşık 400 farklı teori var, ancak bunlardan hiçbirinin gerçekten doğru olduğu kabul edilmedi. Laboratuvar koşullarında, benzer ancak kısa vadeli fenomenler birkaç farklı yolla elde edildi, bu nedenle yıldırım topunun doğası hakkındaki soru hala açık.

Elbette sıradan plazma da laboratuvarlarda oluşturuldu. Bu bir zamanlar zordu ama artık böyle bir deney o kadar da zor değil. Plazma günlük cephaneliğimize sıkı bir şekilde girdiğinden, laboratuvarlarda onun üzerinde birçok deney yapılıyor.

Plazma alanındaki en ilginç keşif, sıfır yerçekiminde plazma ile yapılan deneylerdi. Plazmanın vakumda kristalleştiği ortaya çıktı. Şöyle olur: Yüklü plazma parçacıkları birbirini itmeye başlar ve sınırlı bir hacme sahip olduklarında, kendilerine ayrılan alanı kaplayarak farklı yönlere dağılırlar. Bu kristal kafese oldukça benzer. Bu, plazmanın maddenin birinci hali ile üçüncü hali arasındaki kapanış halkası olduğu anlamına gelmiyor mu? Sonuçta, gazın iyonlaşması nedeniyle bir plazma haline gelir ve vakumda plazma yine katı gibi olur. Ama bu sadece benim tahminim.

Uzaydaki plazma kristalleri de oldukça tuhaf bir yapıya sahiptir. Bu yapı yalnızca uzayda, uzayın gerçek boşluğunda gözlemlenebilir ve incelenebilir. Dünya'da bir boşluk yaratıp plazmayı oraya yerleştirseniz bile, yerçekimi içeride oluşan tüm "resmi" sıkıştıracaktır. Uzayda, plazma kristalleri basitçe havalanır ve tuhaf bir şekle sahip üç boyutlu, üç boyutlu bir yapı oluşturur. Yörüngedeki plazmayı gözlemlemenin sonuçlarını Dünya'daki bilim adamlarına gönderdikten sonra, plazmadaki girdapların garip bir şekilde galaksimizin yapısını tekrarladığı ortaya çıktı. Bu, gelecekte plazmayı inceleyerek galaksimizin nasıl doğduğunu anlamanın mümkün olacağı anlamına geliyor. Aşağıdaki fotoğraflar aynı kristalize plazmayı göstermektedir.

Plazma konusunda söylemek istediklerim bu kadar. Umarım ilginizi çekmiştir ve şaşırtmıştır. Sonuçta, bu gerçekten şaşırtıcı bir fenomen veya daha doğrusu bir durumdur - maddenin 4. durumu.