Древние греки подарили нам, кроме великолепных произведений искусства, прекрасное по своей наивной простоте представление о строении мира. Они считали, что в основе всех вещей лежат четыре «начала», или «стихии»: земля, вода, воздух и огонь. Уже во времена Ломоносова стало известно, что первые три из них - всего лишь различные состояния вещества, которые называются соответственно твердым, жидким и газообразным. А огонь? Долгое время ученые не выделяли его в самостоятельную форму существования материи. И лишь в последние десятилетия удалось проникнуть в тайны огненного состояния вещества, получившего название плазмы.

ОТ ТРЕХ СОСТОЯНИЙ - К ЧЕТВЕРТОМУ

Чтобы понять, чем отличается четвертое состояние от всех остальных, обратимся к «кирпичикам» любого вещества - . Атом каждого вещества состоит из положительно заряженного ядра и оболочки из отрицательно заряженных электронов, движущихся по различным орбитам. Разрушить эту оболочку не просто: силы электрического взаимодействия удерживают электроны на их орбитах.

…В солнечный весенний день можно наблюдать, как тает кусок льда на мостовой. Вот лед потемнел, разрыхлился, под ним появилась вода. Затем над водой закурились тоненькие струйки тумана, а спустя небольшое время исчезла и вода: она . В обоих этих превращениях электронная оболочка атомов, входящих в воды, принимает мало участия. Солнечные лучи, нагревая лед, сначала сообщают его молекулам тепловую энергию, достаточную для того, чтобы разрушить льда. Затем тепловая энергия, переданная молекулам воды, разрывает связи между ними - в результате возникает пар. Поместим его в сосуд и станем нагревать.

Придется запастись терпением. Прибор показывает пятьсот, тысячу, две тысячи градусов. Мы все еще ничего не замечаем. Но вот при температуре в несколько тысяч градусов в сосуде возникает слабое свечение, которое становится все более ярким по мере дальнейшего повышения температуры.

Физик скажет, что теперь пары воды перешли в плазменное состояние. А мы и не заметили этого. Но что не видно человеческому глазу, не составляет тайны для чувствительных физических приборов. Они и поведают нам о том, что им удалось «увидеть».

ПЛАЗМА РОЖДАЕТСЯ

На что расходуется тепловая энергия, подводимая к сосуду с газом? На увеличение скорости движения молекул. Они все быстрее носятся в сосуде, чаще и энергичнее сталкиваются друг с другом. При этом электронные оболочки их атомов «сотрясаются» сильнее, пока от них не начинают отрываться внешние, наиболее слабо связанные с ядром электроны. Атомы приобретают положительный заряд и становятся ионами.

Прибор извещает нас: началась ионизация - в газе появились свободные электроны и ионизированные атомы. Температура повышается, и оболочки атомов «трещат по швам». Внутренние электроны стараются выбраться из атома. Но если у самого «выхода» им не поможет новое столкновение, ядро втянет их обратно. При возвращении электроны отдают свою энергию в виде электромагнитного излучения, которое регистрируется прибором. Да мы и сами видим: газ начал светиться.

При дальнейшем повышении температуры свечение в сосуде постепенно становится ослепительно ярким, нестерпимым для глаз. Плазма достигает, если можно так выразиться, идеального состояния: в сосуде остались только свободные электроны и совершенно оголенные ядра атомов. Воображаемый термометр, если его поместить в сосуд, показал бы при этом температуру в несколько миллионов градусов.

ВСЕ НЕ ТАК ПРОСТО

Мы не оговорились. Воображаемым является не только термометр, но и сам опыт. Нагреть газ до такой температуры совсем не так просто, как, например, вскипятить воду в чайнике.

Первая лазейка, через которую ускользает подводимая к газу энергия,- это стенки сосуда, которые нагреваются. Даже если сделать их из теплоизоляционного материала, то и в этом случае температуру можно повышать лишь до того момента, пока газ не начнет светиться. Теперь энергия ускользает из газа в виде электромагнитного излучения. Не помогают при этом и зеркальные стенки.

Очевидно, что энергию в газ надо подводить не тепловым путем. Каким же? Наилучшим способом получения плазмы является электрический разряд. В чем его преимущества? Во-первых, все процессы протекают намного быстрее, чем при химической реакции горения. К тому же длительность разряда можно ограничить миллионными долями секунды, а мощность довести до миллионов киловатт. Это важно: разряд позволяет подводить энергию в газ быстрее, чем она ускользает из газа.

В природе и в быту мы встречаем много примеров электрического разряда в газах. Это молния и вольтова дуга, свечение проводов высокого напряжения и искры в электрической цепи. Но почему электрический ток вообще идет через газы, которые, как известно, являются изоляторами? Вместе с этим вопросом возникает много других, столь же интересных.

ИОНЫ В КОМНАТЕ. ХОЛОДНАЯ ПЛАЗМА

Оказывается, газ является изолятором, так сказать, только теоретически. Практически же он, хоть и слабо, всегда проводит электрический ток. Кое-кто, вероятно, и не подозревает, что в воздухе, которым мы дышим, находятся ионы. Те самые ионы, которые, казалось бы, могут образовываться лишь при очень высоких температурах. Их появление вызвано действием космических лучей, а также радиоактивных веществ, находящихся в земной коре. Правда, этих ионов очень мало, но они и есть та «дорожка», по которой ток входит в газ.

Однако гость в чужом доме может вести себя по-разному. Если напряжение на Электродах невелико, то разряд можно обнаружить лишь при помощи чувствительных приборов - идет слабенький ток, и атомы газа в большинстве остаются нейтральными. Повысим напряжение. Ток увеличится. Все больше атомов газа вовлекается в процесс ионизации, пока, наконец, не возникает лавинный разряд, а с ним и плазменное состояние вещества.

Мы уже знаем, что для того, чтобы получить плазму, надо разогреть газ до высокой температуры. Но дотроньтесь до лампы дневного света. Не бойтесь обжечься: стенки ее совершенно холодные. Между тем ртутный пар в ней светится, а это признак плазмы. Как же так? Дело в том, что в одной и той же плазме могут одновременно существовать несколько разных температур.

Чтобы понять это, вспомним определение температуры - не житейское, а научное. Температура есть мера средней энергии хаотического движения частиц вещества. Чем больше эта энергия, тем выше температура. В ионизируемом газе по меньшей мере три сорта частиц: электроны, ионы и нейтральные атомы. А если имеется смесь газов, то число различных сортов частиц еще больше. Когда газ нагревают, то столкновения между его частицами в конце концов, приводят к выравниванию энергий движения всех видов частиц в нем, то есть к выравниванию температуры. В плазме устанавливается какая-то средняя температура. Такая плазма называется изотермической.

Другое дело - ионизация газа электрическим разрядом. Здесь выравнивания энергий не происходит. Когда через газ проходит ток, то электроны, налетая на нейтральные атомы, почти не изменяют энергию их движения, так как очень легки по сравнению с атомами. Зато электроны могут ионизировать и возбуждать атомы, и тогда возникает свечение. Иными словами, средняя энергия электронов выше, чем средняя энергия ионов, а значит, и температура электронов выше, чем у ионов.

Это неизотермическая плазма. Она существует в лампах дневного света, в которых электронная температура может доходить до десятков тысяч градусов - газ светится. Ионная же температура не превышает комнатной - стенки лампы холодные. Выровнять эти температуры можно лишь при очень высоком давлении.

Продолжение следует.

Плазма Плазменная лампа , иллюстрирующая некоторые из наиболее сложных плазменных явлений, включая филаментацию. Свечение плазмы обусловлено переходом электронов из высокоэнергетического состояния в состояние с низкой энергией после рекомбинации с ионами . Этот процесс приводит к излучению со спектром , соответствующим возбуждаемому газу.

Слово «ионизированный» означает, что от электронных оболочек значительной части атомов или молекул отделён по крайней мере один электрон . Слово «квазинейтральный» означает, что, несмотря на наличие свободных зарядов (электронов и ионов), суммарный электрический заряд плазмы приблизительно равен нулю. Присутствие свободных электрических зарядов делает плазму проводящей средой, что обуславливает её заметно большее (по сравнению с другими агрегатными состояниями вещества) взаимодействие с магнитным и электрическим полями . Четвёртое состояние вещества было открыто У. Круксом в 1879 году и названо «плазмой» И. Ленгмюром в 1928 году , возможно из-за ассоциации с плазмой крови . Ленгмюр писал:

Исключая пространство около электродов, где обнаруживается небольшое количество электронов, ионизированный газ содержит ионы и электроны практически в одинаковых количествах, в результате чего суммарный заряд системы очень мал. Мы используем термин «плазма», чтобы описать эту в целом электрически нейтральную область, состоящую из ионов и электронов.

Формы плазмы

По сегодняшним представлениям, фазовым состоянием большей части вещества (по массе ок. 99,9 %) во Вселенной является плазма. Все звёзды состоят из плазмы, и даже пространство между ними заполнено плазмой, хотя и очень разреженной (см. межзвездное пространство). К примеру, планета Юпитер сосредоточила в себе практически все вещество Солнечной системы , находящееся в «неплазменном» состоянии (жидком , твердом и газообразном). При этом масса Юпитера составляет всего лишь около 0,1 % массы Солнечной системы, а объём - и того меньше: всего 10 −15 %. При этом мельчайшие частицы пыли, заполняющие космическое пространство и несущие на себе определенный электрический заряд, в совокупности могут быть рассмотрены как плазма, состоящая из сверхтяжелых заряженных ионов (см. пылевая плазма).

Свойства и параметры плазмы

Определение плазмы

Плазма - частично или полностью ионизированный газ, в котором плотности положительных и отрицательных зарядов практически одинаковы. Не всякую систему заряженных частиц можно назвать плазмой. Плазма обладает следующими свойствами:

• Достаточная плотность : заряженные частицы должны находиться достаточно близко друг к другу, чтобы каждая из них взаимодействовала с целой системой близкорасположенных заряженных частиц. Условие считается выполненным, если число заряженных частиц в сфере влияния (сфера радиусом Дебая) достаточно для возникновения коллективных эффектов (подобные проявления - типичное свойство плазмы). Математически это условие можно выразить так:

, где - концентрация заряженных частиц.

• Приоритет внутренних взаимодействий : радиус дебаевского экранирования должен быть мал по сравнению с характерным размером плазмы. Этот критерий означает, что взаимодействия, происходящие внутри плазмы более значительны по сравнению с эффектами на её поверхности, которыми можно пренебречь. Если это условие соблюдено, плазму можно считать квазинейтральной. Математически оно выглядит так:

Классификация

Плазма обычно разделяется на идеальную и неидеальную , низкотемпературную и высокотемпературную , равновесную и неравновесную , при этом довольно часто холодная плазма бывает неравновесной, а горячая равновесной.

Температура

При чтении научно-популярной литературы читатель зачастую видит значения температуры плазмы порядка десятков, сотен тысяч или даже миллионов °С или К. Для описания плазмы в физике удобно измерять температуру не в °С, а в единицах измерения характерной энергии движения частиц, например, в электрон-вольтах (эВ). Для перевода температуры в эВ можно воспользоваться следующим соотношением: 1 эВ = 11600 K (Кельвин). Таким образом становится понятно, что температура в «десятки тысяч °С» достаточно легко достижима.

В неравновесной плазме электронная температура существенно превышает температуру ионов. Это происходит из-за различия в массах иона и электрона, которое затрудняет процесс обмена энергией. Такая ситуация встречается в газовых разрядах, когда ионы имеют температуру около сотен, а электроны около десятков тысяч K.

В равновесной плазме обе температуры равны. Поскольку для осуществления процесса ионизации необходимы температуры, сравнимые с потенциалом ионизации, равновесная плазма обычно является горячей (с температурой больше нескольких тысяч K).

Понятие высокотемпературная плазма употребляется обычно для плазмы термоядерного синтеза, который требует температур в миллионы K.

Степень ионизации

Для того, чтобы газ перешел в состояние плазмы, его необходимо ионизировать . Степень ионизации пропорциональна числу атомов, отдавших или поглотивших электроны, и больше всего зависит от температуры . Даже слабо ионизированный газ, в котором менее 1 % частиц находятся в ионизированном состоянии, может проявлять некоторые типичные свойства плазмы (взаимодействие с внешним электромагнитным полем и высокая электропроводность). Степень ионизации α определяется как α = n i /(n i + n a), где n i - концентрация ионов, а n a - концентрация нейтральных атомов. Концентрация свободных электронов в незаряженной плазме n e определяется очевидным соотношением: n e =<Z > n i , где <Z > - среднее значение заряда ионов плазмы.

Для низкотемпературной плазмы характерна малая степень ионизации (до 1 %). Так как такие плазмы довольно часто употребляются в технологических процессах, их иногда называют технологичными плазмами. Чаще всего их создают при помощи электрических полей, ускоряющих электроны, которые в свою очередь ионизируют атомы. Электрические поля вводятся в газ посредством индуктивной или емкостной связи (см. индуктивно-связанная плазма). Типичные применения низкотемпературной плазмы включают плазменную модификацию свойств поверхности (алмазные пленки, нитридирование металлов, изменение смачиваемости), плазменное травление поверхностей (полупроводниковая промышленность), очистку газов и жидкостей (озонирование воды и сжигание частичек сажи в дизельных двигателях).

Горячая плазма почти всегда полностью ионизирована (степень ионизации ~100 %). Обычно именно она понимается под «четвертым агрегатным состоянием вещества ». Примером может служить Солнце .

Плотность

Помимо температуры, которая имеет фундаментальную важность для самого существования плазмы, вторым наиболее важным свойством плазмы является плотность. Словосочетание плотность плазмы обычно обозначает плотность электронов , то есть число свободных электронов в единице объёма (строго говоря, здесь, плотностью называют концентрацию - не массу единицы объёма, а число частиц в единице объёма). В квазинейтральной плазме плотность ионов связана с ней посредством среднего зарядового числа ионов : . Следующей важной величиной является плотность нейтральных атомов . В горячей плазме мала, но может тем не менее быть важной для физики процессов в плазме. При рассмотрении процессов в плотной, неидеальной плазме характерным параметром плотности становится , который определяется как отношение среднего межчастичного расстояния к радиусу Бора .

Квазинейтральность

Так как плазма является очень хорошим проводником, электрические свойства имеют важное значение. Потенциалом плазмы или потенциалом пространства называют среднее значение электрического потенциала в данной точке пространства. В случае если в плазму внесено какое-либо тело, его потенциал в общем случае будет меньше потенциала плазмы вследствие возникновения дебаевского слоя. Такой потенциал называют плавающим потенциалом . По причине хорошей электрической проводимости плазма стремится экранировать все электрические поля. Это приводит к явлению квазинейтральности - плотность отрицательных зарядов с хорошей точностью равна плотности положительных зарядов (). В силу хорошей электрической проводимости плазмы разделение положительных и отрицательных зарядов невозможно на расстояниях больших дебаевской длины и временах больших периода плазменных колебаний.

Примером неквазинейтральной плазмы является пучок электронов. Однако плотность не-нейтральных плазм должна быть очень мала, иначе они быстро распадутся за счёт кулоновского отталкивания.

Отличия от газообразного состояния

Плазму часто называют четвертым состоянием вещества . Она отличается от трёх менее энергетичных агрегатных состояний материи, хотя и похожа на газовую фазу тем, что не имеет определённой формы или объёма. До сих пор идёт обсуждение того, является ли плазма отдельным агрегатным состоянием, или же просто горячим газом. Большинство физиков считает, что плазма является чем-то большим, чем газ по причине следующих различий:

Свойство	Газ	Плазма
Электрическая проводимость	Крайне мала К примеру, воздух является превосходным изолятором до тех пор, пока не переходит в плазменное состояние под действием внешнего электрического поля напряженностью в 30 киловольт на сантиметр .	Очень высока Несмотря на то, что при протекании тока возникает хотя и малое, но тем не менее конечное падение потенциала, во многих случаях электрическое поле в плазме можно считать равным нулю. Градиенты плотности, связанные с наличием электрического поля, могут быть выражены через распределение Больцмана. Возможность проводить токи делает плазму сильно подверженной влиянию магнитного поля, что приводит к возникновению таких явлений как филаментирование, появление слоев и струй. Типичным является наличие коллективных эффектов, так как электрические и магнитные силы являются дальнодействующими и гораздо сильнее, чем гравитационные.
Число сортов частиц	Один Газы состоят из подобных друг другу частиц, которые находятся в тепловом движении, а также движутся под действием гравитации , а друг с другом взаимодействуют только на сравнительно небольших расстояниях.	Два, или три, или более Электроны, ионы и нейтральные частицы различаются знаком эл. заряда и могут вести себя независимо друг от друга - иметь разные скорости и даже температуры, что служит причиной появления новых явлений, например волн и неустойчивостей.
Распределение по скоростям	Максвелловское Столкновения частиц друг с другом приводит к максвелловскому распределению скоростей , согласно которому очень малая часть молекул газа имеют относительно большие скорости движения.	Может быть немаксвелловское Электрические поля имеют другое влияние на скорости частиц чем столкновения, которые всегда ведут к максвеллизации распределения по скоростям. Зависимость сечения кулоновских столкновений от скорости может усиливать это различие, приводя к таким эффектам, как двухтемпературные распределения и убегающие электроны.
Тип взаимодействий	Бинарные Как правило двухчастичные столкновения, трёхчастичные крайне редки.	Коллективные Каждая частица взаимодействует сразу со многими. Эти коллективные взаимодействия имеют гораздо большее влияние чем двухчастичные.

Сложные плазменные явления

Хотя основные уравнения, описывающие состояния плазмы, относительно просты, в некоторых ситуациях они не могут адекватно отражать поведение реальной плазмы: возникновение таких эффектов - типичное свойство сложных систем , если использовать для их описания простые модели . Наиболее сильное различие между реальным состоянием плазмы и её математическим описанием наблюдается в так называемых пограничных зонах, где плазма переходит из одного физического состояния в другое (например, из состояния с низкой степенью ионизации в высокоионизационное). Здесь плазма не может быть описана с использованием простых гладких математических функций или с применением вероятностного подхода. Такие эффекты как спонтанное изменение формы плазмы являются следствием сложности взаимодействия заряженных частиц , из которых состоит плазма. Подобные явления интересны тем, что проявляются резко и не являются устойчивыми. Многие из них были изначально изучены в лабораториях, а затем были обнаружены во Вселенной.

Математическое описание

Плазму можно описывать на различных уровнях детализации. Обычно плазма описывается отдельно от электромагнитных полей. Совместное описание проводящей жидкости и электромагнитных полей даётся в теории магнитогидродинамических явлений или МГД теории.

Флюидная (жидкостная) модель

Во флюидной модели электроны описываются в терминах плотности, температуры и средней скорости. В основе модели лежат: уравнение баланса для плотности, уравнение сохранения импульса, уравнение баланса энергии электронов. В двухжидкостной модели таким же образом рассматриваются ионы.

Кинетическое описание

Иногда жидкостная модель оказывается недостаточной для описания плазмы. Более подробное описание даёт кинетическая модель, в которой плазма описывается в терминах функции распределения электронов по координатам и импульсам. В основе модели лежит уравнение Больцмана . Уравнение Больцмана неприменимо для описания плазмы заряженных частиц с кулоновским взаимодействием вследствие дальнодействующего характера кулоновских сил. Поэтому для описания плазмы с кулоновским взаимодействием используется уравнение Власова с самосогласованным электромагнитным полем, созданным заряженными частицами плазмы. Кинетическое описание необходимо применять в случае отсутствия термодинамического равновесия либо в случае присутствия сильных неоднородностей плазмы.

Particle-In-Cell (частица в ячейке)

Модели Particle-In-Cell являются более подробными, чем кинетические. Они включают в себя кинетическую информацию путём слежения за траекториями большого числа отдельных частиц. Плотности электрического заряда и тока определяются путём суммирования числа частиц в ячейках, которые малы по сравнению с рассматриваемой задачей, но, тем не менее, содержат большое число частиц. Электрическое и магнитное поля находятся из плотностей зарядов и токов на границах ячеек.

Базовые характеристики плазмы

Все величины даны в Гауссовых СГС единицах за исключением температуры, которая дана в eV и массы ионов, которая дана в единицах массы протона ; Z - зарядовое число; k - постоянная Больцмана; К - длина волны; γ - адиабатический индекс; ln Λ - Кулоновский логарифм.

Частоты

• Ларморова частота электрона , угловая частота кругового движения электрона в плоскости перпендикулярной магнитному полю:

• Ларморова частота иона , угловая частота кругового движения иона в плоскости перпендикулярной магнитному полю:

• плазменная частота (частота плазменных колебаний), частота с которой электроны колеблются около положения равновесия, будучи смещенными относительно ионов:

• ионная плазменная частота:

• частота столкновений электронов

• частота столкновений ионов

Длины

• Де-Бройлева длина волны электрона , длина волны электрона в квантовой механике:

• минимальное расстояние сближения в классическом случае , минимальное расстояние на которое могут сблизиться две заряженных частицы при лобовом столкновении и начальной скорости, соответствующей температуре частиц, в пренебрежении квантово-механическими эффектами:

• гиромагнитный радиус электрона , радиус кругового движения электрона в плоскости перпендикулярной магнитному полю:

• гиромагнитный радиус иона , радиус кругового движения иона в плоскости перпендикулярной магнитному полю:

• размер скин-слоя плазмы , расстояние на которое электромагнитные волны могут проникать в плазму:

• Радиус Дебая (длина Дебая) , расстояние на котором электрические поля экранируются за счёт перераспределения электронов:

Скорости

• тепловая скорость электрона , формула для оценки скорости электронов при распределении Максвелла . Средняя скорость, наиболее вероятная скорость и среднеквадратичная скорость отличаются от этого выражения лишь множителями порядка единицы:

• тепловая скорость иона , формула для оценки скорости ионов при распределении Максвелла :

• скорость ионного звука , скорость продольных ионно-звуковых волн:

• Альфвеновская скорость , скорость Альфвеновских волн :

Безразмерные величины

• квадратный корень из отношения масс электрона и протона :

• Число частиц в сфере Дебая:

• Отношение Альфвеновской скорости к скорости света

• отношение плазменной и ларморовской частот для электрона

• отношение плазменной и ларморовской частот для иона

• отношение тепловой и магнитной энергий

• отношение магнитной энергии к энергии покоя ионов

Прочее

• Бомовский коэффициент диффузии

• Поперечное сопротивление Спитцера

Состояние плазмы практически единогласно признается научным сообществом как четвертое агрегатное состояние. Вокруг данного состояния даже образовалась отдельная наука, изучающая это явление – физика плазмы. Состояние плазмы или ионизованный газ представляется как набор заряженных частиц, суммарный заряд которых в любом объеме системы равен нулю – квазинейтральный газ.

Также существует газоразрядная плазма, которая возникает при газовом разряде. При прохождении электрического тока через газ, первый ионизирует газ, ионизированные частицы которого являются переносчиками тока. Так в лабораторных условиях получают плазму, степень ионизации которой можно контролировать при помощи изменения параметров тока. Однако, в отличие от высокотемпературной плазмы, газоразрядная нагревается за счет тока, и потому быстро охлаждается при взаимодействии с незаряженными частицами окружающего газа.

Электрическая дуга — ионизированный квазинейтральный газ

Свойства и параметры плазмы

В отличие от газа вещество в состоянии плазмы обладает очень высокой электрической проводимостью. И хотя суммарный электрический заряд плазмы обычно равен нулю, она значительно подвержена влиянию магнитного поля, которое способно вызывать течение струй такого вещества и разделять его на слои, как это наблюдается на Солнце.

Спикулы — потоки солнечной плазмы

Другое свойство, которое отличает плазму от газа – коллективное взаимодействие. Если частицы газа обычно сталкиваются по двое, изредка лишь наблюдается столкновение трех частиц, то частицы плазмы, в силу наличия электромагнитных зарядов, взаимодействуют одновременно с несколькими частицами.

В зависимости от своих параметров плазму разделяют по следующим классам:

• По температуре: низкотемпературная – менее миллиона кельвин, и высокотемпературная – миллион кельвин и более. Одна из причин существования подобного разделения заключается в том, что лишь высокотемпературная плазма способна участвовать в термоядерном синтезе.
• Равновесная и неравновесная. Вещество в состоянии плазмы, температура электронов которого значительно превышает температуру ионов, называется неравновесной. В случае же когда температура электронов и ионов одинаковая говорят о равновесной плазме.
• По степени ионизации: высокоионизационная и плазма с низкой степенью ионизации. Дело в том, что даже ионизированный газ, 1% частиц которого ионизированы, проявляет некоторые свойства плазмы. Однако, обычно плазмой называют полностью ионизированный газ (100%). Примером вещества в таком состоянии является солнечное вещество. Степень ионизации напрямую зависит от температуры.

Применение

Наибольшее применение плазма нашла в светотехнике: в газоразрядных лампах, экранах и различных газоразрядных приборах, вроде стабилизатора напряжения или генератора сверхвысокочастотного (микроволнового) излучения. Возвращаясь к освещению – все газоразрядные лампы основаны на протекании тока через газ, что вызывает ионизацию последнего. Популярный в технике плазменный экран представляет собой набор газоразрядных камер, заполненных сильно ионизированным газом. Электрический разряд, возникающий в этом газе порождает ультрафиолетовое излучение, которое поглощается люминифором и далее вызывает его свечение в видимом диапазоне.

Вторая область применения плазмы – космонавтика, а конкретнее – плазменные двигатели. Такие двигатели работают на основе газа, обычно ксенона, который сильно ионизируется в газоразрядной камере. В результате этого процесса тяжелые ионы ксенона, которые к тому же ускоряются магнитным полем, образуют мощный поток, создающий тягу двигателя.

Наибольшее же надежды возлагаются на плазму – как на «топливо» для термоядерного реактора. Желая повторить процессы синтеза атомных ядер, протекающие на Солнце, ученые работают над получением энергии синтеза из плазмы. Внутри такого реактора сильно разогретое вещество (дейтерий, тритий или даже ) находится в состоянии плазмы, и в силу своих электромагнитных свойств, удерживается за счет магнитного поля. Формирование более тяжелых элементов из исходной плазмы происходит с выделением энергии.

Также плазменные ускорители используются в экспериментах по физике высоких энергий.

Плазма в природе

Состояние плазмы – наиболее распространенная форма вещества, на которую приходиться около 99% массы всей Вселенной. Вещество любой звезды – это сгусток высокотемпературной плазмы. Помимо звезд, существует и межзвездная низкотемпературная плазма, которая заполняет космическое пространство.

Ярчайшим примером является ионосфера Земли, которая представляет собой смесь нейтральных газов (кислорода и азота), а также сильно ионизированного газа. Ионосфера образуется как следствие облучения газа солнечным излучением. Взаимодействие же космического излучения с ионосферой приводит к полярному сиянию.

На Земле плазму можно наблюдать в момент удара молнии. Электрический искровой заряд, протекающий в атмосфере, сильно ионизирует газ на своем пути, образуя тем самым плазму. Следует отметить, что «полноценная» плазма, как набор отдельных заряженных частиц, образуется при температурах более 8 000 градусов Цельсия. По этой причине утверждение, что огонь (температура которого не превышает 4 000 градусов) – это плазма – лишь популярное заблуждение.

Кроме перечисленных выше трех состоянии вещество может на­ходиться в четвертом агрегатном состоянии – плазменном ,кото­рое открыто сравнительно недавно. Состояние плазмы возникает в том случае, если на вещество в газообразном состоянии дейст­вуют такие сильные ионизирующие факторы, как сверхвысокие температуры (в несколько миллионов градусов), мощные электри­ческие разряды или электромагнит-ные излучения. При этом про­исходит разрушение молекул и атомов вещества и превращение его в смесь, состоящую из положительно заряженных ядер и элект­ронов, движущихся с колоссальными скоростями. По этой причине плазму иногда называют электронно-ядерным газом.

Различают два вида плазмы: изотермическую и газоразряд­ную.

Изотермическая плазма получается при высоких температурах, под влиянием которых имеет место термическая диссоциация ато­мов вещества, и может существовать неограниченно долго. Такой вид плазмы представляет собой вещество звезд, а также шаровых молний. Ионосфера Земли – это также особая разновидность плаз­мы; однако в данном случае ионизация происходит под влиянием ультрафиолетового излучения Солнца.

Изотермическая плазма играет исключительно важную роль в космических процессах. Три других агрегатных состояния вещест­ва в космическом пространстве являются исключением.

Газоразрядная плазма образуется при электрическом разряде и поэтому устойчива только при наличии электрического поля. Как только прекращается действие внешнего поля, газоразрядная плаз­ма вследствие образования нейтральных атомов из ионов и элект­ронов исчезает в течение 10 –5 -10 –4 с.

Одним из замечательных свойств плазмы является ее высокая электрическая проводимость. Чем выше температура плазмы, тем выше ее проводимость. В силу этого через плазму можно пропу­скать токи в сотни тысяч и миллионы ампер.

При пропускании через плазму таких токов можно поднять ее температуру до десятков и даже сотен миллионов градусов, а дав­ление – до десятка гигапаскалей. Подобные условия, как известно, близки к проведению термоядерных реакций синтеза , при которых можно получать колоссальные количества энергии.

Как известно, энергия выделяется не только при делении ядер, но и при их синтезе, т. е. при слиянии более легких ядер в более тяжелые. Задача в этом случае состоит в том, чтобы, преодолев электрическое отталкивание, сблизить легкие ядра на достаточно малые расстояния, где между ними начинают действовать ядерные силы притяжения. Так, например, если бы можно было заставить два протона и два нейтрона объединиться в ядро атома гелия, то при этом выделилась бы огромная энергия. С помощью нагрева до высоких температур в результате обычных столкновений ядра мо­гут сблизиться на столь малые расстояния, что ядерные силы всту­пят в действие и произойдет синтез. Начавшись, процесс синтеза, как показывают расчеты, может дать такое количество теплоты, которое нужно для поддержания высокой температуры, необходи­мой для дальнейших слияний ядер, т.е. процесс будет идти непре­рывно. При этом получается такой мощный источник тепловой энергии, что ее количество можно контролировать только количе­ством необходимого материала. В этом и состоит сущность прове­дения управляемой термоядерной реакции синтеза.

При прохождении через плазму электрический ток создает сильное магнитное поле, которое сжимает поток электронов и ио­нов в плазменный шнур .Этим достигается тепловая изоляция плазмы от стенок сосуда. С увеличением силы тока электромагнит­ное сжатие плазмы проявляется сильнее. В этом заключается сущ­ность так называемого пинч-эффекта .Как показали исследования, пинч-эффект и, силы, создаваемые внешними магнитными полями, меняющимися по определенному закону, можно с успехом исполь­зовать для удержания плазмы в «магнитной бутылке», где проис­ходит реакция синтеза.

ТЕОРИЯ ХИМИЧЕСКОЙ СВЯЗИ

Общие положения учения о химической связи. Ковалентная связь

Понятие о химической связи является одним из основополагающих в современной науке. Без знания природы взаимодействия атомов невозможно понять механизм образования химических соединений, их состав и реакционную способность, и тем более, прогнозировать свойства новых материалов.

Самые первые и не вполне четкие представления о химической связи ввел Кекуле в 1857 г. Он указывал, что число атомов, связанных с атомом другого элемента, зависит от основности составных частей .

Впервые собственно термин «химическая связь» был введен А.М. Бутлеровым в 1863 г. В создании учения о химической связи большую роль сыграла его теория химического строения, предложенная в 1861 г. Однако, сформулировав основные положения теории, Бутлеров тогда еще не употреблял термина «химическая связь». Положения его учения таковы:

1. Атомы в молекулах соединены друг с другом в определенной последовательности. Изменение этой последовательности приводит к образованию нового вещества с новыми свойствами.

2. Соединение атомов происходит в соответствии с их валентнос-тью.

3. Свойства веществ зависят не только от состава, но и от их «химического строения», т.е. от порядка соединения атомов в молекулах и характера их взаимного влияния.

Таким образом, свойства веществ определяются не только их качественным и количественным составом, но и внутренней структурой молекул.

В 1863 г. в работе «О различных объяснениях некоторых случаев изомерии» Бутлеров уже говорит о «способе химической связи между атомами», о «химической связи отдельных атомов».

Что же представляет собой термин «химическая связь»?

Можно дать ряд определений этого понятия, но самое очевидное из них то, что химическая связь – это взаимодействие, возникающее между атомами в процессе образования веществ .

Научное объяснение природы химической связи смогло появиться только после возникновения учения о строении атома. В 1916 г. американский ученый физико-химик Льюис высказал предположение, что химическая связь возникает путем спаривания электронов, принадлежа-щих различным атомам. Эта идея явилась исходным пунктом для современной теорииковалентной химической связи .

В том же году немецкий ученый Коссель предположил, что при взаимодействии двух атомов один из них отдает, а другой – принимает электроны. Электростатическое взаимодействие образующихся ионов и приводит к получению устойчивого соединения. Развитие идей Косселя привело к созданию теории ионной связи .

В любом случае химическая связь имеет электрическое происхождение, т.к. обусловлена, в конечном счете, взаимодействием электронов.

Одной из причин возникновения химической связи является стремление атомов принять более устойчивое состояние. Необходимое условие образования химической связи – уменьшение потенциальной энергии системы взаимодействующих атомов.

При химических реакциях ядра атомов и внутренние электронные оболочки не претерпевают изменений. Химическая связь осуществляется за счет взаимодействия наиболее удаленных от ядра электронов, называемых валентными .

Валентными являются: у s-элементов – s-электроны внешнего энергетического уровня, у р-элементов – s- и р- электроны внешнего энергетического уровня, у d-элементов – s-электроны внешнего и d-электроны предвнешнего энергетических уровней, у f-элементов – s-электроны внешнего и f-электроны третьего снаружи энергетических уровней.

Обычно различают пять основных типов химической связи: ионную, ковалентную, металлическую, водородную, а также межмолекулярные взаимодействия , обусловленные силами Ван - дер - Ваальса, причем три первых типа связи существенно прочнее двух последних.

Современное учение о химической связи основано на квантово-механических представлениях. Для описания химической связи в настоящее время широко используются два метода: метод валентных связей (МВС) и метод молекулярных орбиталей (ММО).

Метод ВС более прост и нагляден, поэтому рассмотрение теории химической связи начнем именно с него.

Рассмотрим наиболее часто встречающуюся ковалентную химичес-кую связь.

Метод валентных связей

В основе метода ВС лежат следующие положения.

1. Ковалентная химическая связь образуется двумя электронами с противоположно направленными спинами, причем эта электронная пара принадлежит одновременно двум атомам. Сами же атомы сохраняют свою индивидуальность.

2. Ковалентная химическая связь тем прочнее, чем в большей степени перекрываются взаимодействующие электронные облака.

В широком смысле слова ковалентная связь – это химическая связь между атомами, осуществляемая путем обобществления электронов. Ковалентную связь можно рассматривать как универсальный, самый распространенный тип химической связи.

Для точного описания состояния электрона в молекуле необходи-мо решить уравнение Шредингера для соответствующей системы электронов и ядер, задавшись условием минимума энергии. Однако, в настоящее время решение уравнения Шредингера возможно лишь для самых простых систем. Впервые приближенный расчет волновой функции электрона был произведен в 1927 г. Гейтлером и Лондоном для молекулы водорода.

Рис. 4.1. Зависимость энергии системы из двух атомов водорода от

межъядерного расстояния для электронов с параллельными (1) и

антипараллельными (2) спинами.

В результате проведенной работы они получили уравнение, связывающее потенциальную энергию системы с расстоянием между ядрами двух атомов водорода. При этом оказалось, что результаты расчетов зависят от того, одинаковы или противоположны по знаку спины обоих электронов.

При параллельных спинах сближение атомов приводит к непрерыв-ному возрастанию энергии системы. При противоположно направленных спинах сближение атомов до некоторого расстояния r 0 сопровождается снижением энергии системы, после чего она вновь начинает возрастать (рис. 4.1).

Таким образом, если спины электронов параллельны, образования химической связи по энергетическим причинам не происходит, а в случае же противоположно направленных спинов электронов образуется молекула Н 2 – устойчивая система из двух атомов водорода, расстояние между ядрами которых составляет r 0 .

Это расстояние r 0 существенно меньше удвоенного атомного радиуса (для молекулы водорода – соответственно 0,074 и 0,106 нм), следовательно, при образовании химической связи происходит взаимное перекрывание электронных облаков, реагирующих атомов (рис. 3.2).

Рис. 4.2. Схема перекрывания электронных облаков при образовании

молекулы водорода

Вследствие перекрывания облаков электронная плотность между ядрами повышается, при этом возрастают силы притяжения между этой областью отрицательного заряда и положительно заряженными ядрами взаимодействующих атомов. Возрастание сил притяжения сопровож-дается выделением энергии, что и приводит к образованию химической связи.

При изображении структурных формул связь обозначают черточкой либо двумя точками (точка обозначает электрон):

Н – Н Н: Н

В рассмотренном случае обобществляются электроны, находящие-ся на s-орбиталях атомов водорода. Других электронов у атома водорода нет. В случае же, например, галогенов у каждого взаимодействующего атома на внешнем энергетическом уровне находятся также по три пары электронов, не участвующие в образовании химической связи (два s-электрона и четыре р-электрона):

Химическая связь в молекуле F 2 образуется за счет взаимодейст-вия неспаренных электронов, находящихся на атомных р-орбиталях, осталь-ные электроны участия в образовании химической связи не принимают (часто их называют неподеленными электронными парами).

В образовании молекул H 2 и F 2 принимают участие лишь по одному электрону от каждого атома. Ковалентная связь, образованная одной парой электронов, называется одинарной связью.

Связь, образованная двумя или тремя парами электронов, назы-вается кратной связью. Так, атомы кислорода и азота содержат соот-ветственно два и три неспаренных электрона:

Следовательно, в образовании молекул О 2 и N 2 принимают участие соответственно два или три электрона от каждого атома. Таким образом, связь в молекуле кислорода двойная, а в молекуле азота – тройная:

Каким способом может образовываться кратная связь? Все ли связи в этих случаях равноценны? Для ответа на этот и другие сопутствующие вопросы следует рассмотреть основные характеристики ковалентной связи.

Одно и тоже вещество в природе имеет возможность кардинальным образом варьировать свои свойства в зависимости от показателей температуры и давления. Прекрасным примером тому может служить вода, которая существует в виде твёрдого льда, жидкости и пара. Это три агрегатных состояния данной субстанции, имеющей химическую формулу Н 2 О. Другие вещества в естественных условиях способны менять свои характеристики аналогическим образом. Но кроме перечисленных, в природе существует и другое агрегатное состояние - плазма. Это достаточно редкая в земных условиях наделённая особыми качествами.

Молекулярное строение

От чего зависят 4 состояния вещества, в котором пребывает материя? От взаимодействия элементов атома и самих молекул, наделённых свойствами взаимного отталкивания и притяжения. Указанные силы самокомпенсируются в твёрдом состоянии, где атомы располагаются геометрически правильно, образуя кристаллическую решётку. При этом материальный объект способен сохранять обе упомянутые выше качественные характеристики: объём и форму.

Но стоит кинетической энергии молекул увеличится, хаотично двигаясь, они разрушают установленный порядок, превращаясь в жидкости. Они обладают текучестью и характеризуются отсутствием геометрических параметров. Но при этом данная субстанция сохраняет свою способность не менять общий объём. В газообразном состоянии взаимное притяжение между молекулами полностью отсутствует, поэтому газ не имеет формы и обладает возможностью неограниченного расширения. Но концентрация вещества при этом значительно падает. Сами молекулы в обычных условиях не меняются. В этом заключается основная особенность первых 3 из 4 состояний вещества.

Трансформация состояний

Процесс превращения твёрдого тела в другие формы возможно осуществить, постепенно увеличивая температуру и варьируя показатели давления. При этом переходы будут происходить скачкообразно: расстояние между молекулами заметно увеличится, разрушатся межмолекулярные связи с изменением плотности, энтропии, количества свободной энергии. Вероятна также трансформация твёрдого тела сразу в газообразную форму, минуя промежуточные этапы. Она носит название сублимации. Подобный процесс вполне возможен в обычных земных условиях.

Но когда показатели температуры и давления достигают критического уровня, образуется Внутренняя энергия вещества настолько увеличивается, что электроны, двигаясь с бешенной скоростью, покидают свои внутриатомные орбиты. При этом образуются положительные и отрицательные частицы, но плотность их в получившейся структуре остаётся практически одинаковой. Таким образом возникает плазма - агрегатное состояние вещества, представляющего, по сути, газ, полностью или частично ионизированный, элементы которого наделены способностью на больших расстояниях взаимодействовать между собой.

Высокотемпературная плазма космоса

Плазма, как правило, субстанция нейтральная, хотя и состоит из заряженных частиц, потому что положительные и отрицательные элементы в ней, будучи приблизительно равными по количеству, компенсируют друг друга. Это агрегатное состояние в обычных земных условиях встречается реже других, упомянутых ранее. Но несмотря на это, большинство космических тел состоит именно из природной плазмы.

Примером тому могут служить Солнце и прочие многочисленные звёзды Вселенной. Там показатели температуры фантастический высоки. Ведь на поверхности главного светила нашей планетарной системы они достигают 5 500°С. Это более чем в полсотни раз превышает те параметры, которые необходимы для того, чтобы закипела вода. В центре же огнедышащего шара температура составляет 15 000 000°С. Неудивительно, что газы (в основном это водород) там ионизируются, достигая агрегатного состояния плазмы.

Низкотемпературная плазма в природе

Межзвёздная среда, заполняющая галактическое пространство, также состоит из плазмы. Но она отличается от высокотемпературной её разновидности, описанной ранее. Подобная субстанция состоит из ионизированного вещества, возникающего вследствие излучения, испускаемого звёздами. Это низкотемпературная плазма. Таким же образом солнечные лучи, достигая пределов Земли, создают ионосферу и находящийся над ней радиационный пояс, состоящий из плазмы. Различия лишь в составе вещества. Хотя в подобном состоянии могут находится все элементы, представленные в таблице Менделеева.

Плазма в условиях лаборатории и её применение

Согласно законам легко получается в привычных для нас условиях. При проведения лабораторных опытов достаточно конденсатора, диода и сопротивления, подключённых последовательно. Подобная цепь на секунду подсоединяется к источнику тока. И если прикоснуться проводами к металлической поверхности, то частицы её самой, а также расположенные вблизи молекулы паров и воздуха ионизируются и оказываются в агрегатном состоянии плазмы. Аналогичные свойства материи используются при создании ксеноновых и неоновых экранов и сварочных аппаратов.

Плазма и природные явления

В естественных условиях плазму можно наблюдать в свете Северного сияния и во время грозы в виде шаровой молнии. Объяснение некоторым природным явлениям, которым ранее приписывались мистические свойства, ныне дала современная физика. Плазма, образующаяся и светящаяся на концах высоких и острых предметов (мачтах, башнях, огромных деревьях) при особом состоянии атмосферы, столетия назад принималась моряками за вестник удачи. Именно поэтому данное явление получило название «Огни святого Эльма».

Видя коронный разряд в облике светящихся кисточек или пучков во время грозы в шторм, путешественники принимали это за доброе предзнаменование, понимая, что избежали опасности. Неудивительно, ведь возвышающиеся над водой объекты, подходящие для «знаков святого», могли говорить о приближении судна к берегу или пророчить встречу с другими кораблями.

Неравновесная плазма

Приведённые выше примеры красноречиво свидетельствуют о том, что не обязательно нагревать вещество до фантастических температур, чтобы добиться состояния плазмы. Для ионизации достаточно использовать силу электромагнитного поля. При этом тяжёлые составные элементы материи (ионы) не приобретают значительную энергию, ведь температура при осуществлении этого процесса вполне может не превышать по Цельсию нескольких десятков градусов. В таких условиях лёгкие электроны, отрываясь от основного атома, движутся значительно быстрее более инертных частиц.

Подобная холодная плазма называется неравновесной. Кроме плазменных телевизоров и неоновых ламп, она используется также при очистке воды и продуктов питания, применяется для дезинфекции в медицинских целях. К тому же холодная плазма способна содействовать ускорению химических реакций.

Принципы использования

Прекрасным примером того, как применяется во благо человечества искусственно созданная плазма, является изготовление плазменных мониторов. Ячейки такого экрана наделены способностью излучать свет. Панель представляет собой некий «бутерброд» из стеклянных листов, близко расположенных друг к другу. Между ними размещаются коробочки со смесью инертных газов. Ими могут быть неон, ксенон, аргон. А на внутреннюю поверхность ячеек наносятся люминофоры синего, зелёного, красного цвета.

Снаружи ячеек подведены токопроводящие электроды, между которыми создаётся напряжение. В результате этого возникает электрическое поле и, как следствие, молекулы газа ионизируются. Образующаяся плазма испускает ультрафиолетовые лучи, поглощаемые люминофорами. Ввиду это возникает явление флуоресценции посредством испускаемых при этом фотонов. За счёт сложного соединения лучей в пространстве возникает яркое изображение самых разнообразных оттенков.

Плазменные ужасы

Смертоносный облик принимает эта форма материи во время ядерного взрыва. Плазма в больших объёмах образуется во время течения данного неуправляемого процесса с высвобождением огромного количества различных видов энергии. возникшая в результате запуска в действие детонатора, вырывается наружу и нагревает в первые секунды до гигантских температур окружающий воздух. На этом месте возникает смертоносный огненный шар, нарастающий с внушительной скоростью. Видимая область яркой сферы увеличивается за счёт ионизированного воздуха. Сгустки, клубы и струи плазмы взрыва формируют ударную волну.

Первое время светящийся шар, наступая, мгновенно поглощает всё на своём пути. В пыль превращаются не только кости и ткани человека, но и твёрдые скалы, разрушаются даже самые прочные искусственные сооружения и объекты. Не спасают бронированные двери в надёжные убежища, расплющиваются танки и другая боевая техника.

Плазма по своим свойствам напоминает газ тем, что не обладает определёнными формами и объёмом, в следствие этого она способна неограниченно расширяться. По данной причине многие физики высказывают мнение, что считать её отдельным агрегатным состоянием не следует. Однако существенные отличия её от просто горячего газа налицо. К ним относятся: возможность проводить электрические токи и подверженность влиянию магнитных полей, неустойчивость и способность составных частиц иметь разные показатели скоростей и температур, при этом коллективно взаимодействовать между собой.