Вещество в состоянии плазмы

3. Возникновение плазмы.

Рассмотрим замкнутый сосуд, сделанный из очень тугоплавкого материала, в котором находиться небольшое количество некоторого вещества. Постепенно повышая его температуру, будем подогревать сосуд вместе с содержащимся в нем веществом. Пусть первоначально вещество, содержащееся в сосуде, было в твёрдом состоянии. В некоторый момент времени это вещество начнёт плавиться, а при ещё более высокой температуре — испаряться. Образовавшийся газстанет равномерно заполнять весь объём. При достижении достаточно высокого уровня температуры, все молекулы газа, если это молекулярный газ, диссоциируют — распадутся на отдельные атомы. В результате в сосуде останется уже газообразная смесь элементов, изкоторых состоит вещество. Испытывая время от времени столкновения между собой, атомы этого вещества будут быстро беспорядочно двигаться.

Из физики известно, что средняя скорость хаотического теплового движения атомов растёт пропорционально квадратному корню из абсолютной температуры газа.

Чем легче газ, т. е. чем меньше атомный вес вещества, тем она больше. Величину средней скорости v можно найти с помощью следующей формулы:

здесь T — абсолютная температура плазмы, A — атомный вес вещества. Скорость выражается в сантиметрах в секунду.

Так как предел термической стойкости даже самых тугоплавких материалов сравнительно невелик — 3 000 — 4 000 градусов, при очень высокой температуре рассматриваемый нами пример нагревания вещества в тугоплавком сосуде можно представить только теоретически. Представим, что стенки сосуда способны противостоять сколь угодно высокой температуре и продолжим нагревание. Уже при 3 000 — 5 000 градусов будут заметны признаки проявления новых процессов, связанных с изменением свойств самих атомов вещества.

Каждый атом состоит из положительно заряженного ядра, в котором сосредоточена почти вся масса атома, и электронов, которые вращаются вокруг ядра и образуют электронную оболочку атома. Эта оболочка и в особенности её внешний слой, содержат электроны, сравнительно слабо связанные с ядром, и обладают довольно хрупкой структурой. При соударении атома с быстро движущейся частицей один из внешних электронов может быть оторван от атома, и атом превратиться в положительно заряженный ион. Рассматриваемую стадию нагревания вещества характеризует именно этот процесс ионизации. При достаточно высокой температуре в газе появляются положительные ионы и свободные электроны, оторванные от атомов — он перестаёт быть нейтральным. Ели нагретое вещество находиться в тепловом равновесии с окружающей средой (то есть в нашем случае — со стенками воображаемого идеального сосуда) при температуре в несколько десятков тысяч градусов, большая часть атомов в любом газе окажется ионизирована, а нейтральных атомов практически не будет. Так, при T= 30 000 градусов на 20 000 положительных ионов приходиться всего лишь один нейтральный атом.

Как известно, электронная оболочка атома водорода содержит только один электрон, и с потерей атома ионизация заканчивается. В отличие от атома водорода, электронная оболочка атомов других элементов имеет более сложную структуру. Она содержит электроны, обладающие разной степенью связи с атомом. Так, электроны, принадлежащие к внешним слоям оболочки, отрываются сравнительно легко, а при температуре порядка 20 000 — 30 000 градусов почти не должно оставаться примесей нейтральных атомов — можно говорить о полной ионизации газа. Но положительные ионы в упомянутой области температур сохраняют значительную часть своего «электронного одеяния», поэтому процесс ионизации ещё не окончен. Из школьного курса химии известно, что чем больше порядковый номер элемента в периодической системе Менделеева, тем больше число электронов в атоме и тем прочнее связаны электроны внутренних слоёв оболочки с атомным ядром. Поэтому окончательная ионизация тяжёлых элементов наступает только при очень высоких температурах — порядка десятки миллионов градусов. Так как процессы ионизации не создают избытка в зарядах того или иного знака, газ остаётся в целом нейтральным.

С одной стороны, в ионизации газа при высокой температуре принимают участие различные процессы взаимодействия между отдельными атомами, а с другой — аналогичные процессы взаимодействия между электронами, ионами и световым излучением.

3.1. Высокотемпературная

и газоразрядная виды плазмы.

Различают высокотемпературную и газоразрядную плазму. Высокотемпературная плазма возникает при сверхвысоких температурах, а газоразрядную плазму — при газовом разряде.

Любая плазма характеризуется степенью ионизации a — отношением числа ионизированных частиц к полному их числу в единице объёма плазмы. В зависимости от величины a говорят о слабо (a составляет доли процента), умеренно (a — несколько процентов) и полностью (a близко к 100%) ионизированной плазме.

Описанный выше нами способ получения плазмы не является самым практичным из-за сложности его осуществления.

В лабораторных опытах, и в технике нормальным состоянием плазмы считают различные виды электрических разрядов в газах. При электрическом разряде через газ проходит ток. Электроны и ионы, которые образуются в результате ионизации газа, являются носителями этого тока. С прохождением тока неразрывно связан сам процесс ионизации. Только благодаря наличию тока в газе постоянно возникают новые ионы и электроны, а степень ионизации поддерживается на определённом уровне. Разряд в люминесцентной лампе дневного света, молния, электрическая дуга- во всех случаях мы имеем дело с явлениями, разыгрывающимися в сильно ионизированной плазме.

Между плазмой, образовавшейся при нагревании вещества, и плазмой газового разряда имеется одно существенное отличие. Плазма газового разряда не является равновесной в термическом отношении. Она нагревается за счёт энергии, выделяющейся в результате прохождения тока, и охлаждается с поверхности вследствие контакта с холодными стенками газоразрядного прибора или же с окружающими слоями обычного газа. Плазма, образующаяся при интенсивных газовых разрядах, может иметь во много раз большую температуру, чем металл, стекло или нейтральный газ, которые её окружают. Кроме того, такая плазма состоит из смеси нескольких компонент, неодинаково нагретых: одной из этих компонент являются электроны, другой — положительные ионы и третьей — нейтральные атомы. Как и кислород и азот в атмосфере, они равномерно перемешаны между собой.