Физика плазмы. Основы физики плазмы

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Тихоокеанский государственный экономический университет

Кафедра физики

Тема: Плазма - четвертое состояние вещества

Выполнила:

Агрега́тное состоя́ние - состояние вещества, характеризующееся определёнными качественными свойствами: способностью или неспособностью сохранять объём и форму, наличием или отсутствием дальнего и ближнего порядка и другими. Изменение агрегатного состояния может сопровождаться скачкообразным изменением свободной энергии, энтропии, плотности и других основных физических свойств.

Известно, что любое вещество может существовать только в одном из трех состояний: твердом, жидком или газообразном, классическим примером чему является вода, которая может быть в виде льда, жидкости и пара. Однако веществ, пре­бывающих в этих считающихся бесспорными и общераспространенными состояниях, если брать всю Вселенную в целом, очень мало. Они вряд ли пре­вышают то, что в химии считается ничтожно малыми следами. Все остальное вещество Вселенной пребывает в так называемом плазменном состоянии.

Словом «плазма» (от греч. «плазма» - «оформленное») в середине XIX

в. стали именовать бесцветную часть крови (без красных и белых телец) и

жидкость, наполняющую живые клетки. В 1929 г. американские физики Ирвинг Лёнгмюр (1881-1957) и Леви Тонко (1897-1971) назвали плазмой ионизованный газ в газоразрядной трубке.

Английский физик Уильям Крукс (1832-1919), изучавший электрический

разряд в трубках с разрежённым воздухом, писал: «Явления в откачанных

трубках открывают для физической науки новый мир, в котором материя может существовать в четвёртом состоянии».

В зависимости от температуры любое вещество изменяет своё

состояние. Так, вода при отрицательных (по Цельсию) температурах находится в твёрдом состоянии, в интервале от 0 до 100 "С - в жидком, выше 100 °С-в газообразном. Если температура продолжает расти, атомы и молекулы начинают терять свои электроны - ионизуются и газ превращается в плазму. При температурах более 1000000 °С плазма абсолютно ионизована - она состоит только из электронов и положительных ионов. Плазма - наиболее распространённое состояние вещества в природе, на неё приходится около 99 % массы Вселенной. Солнце, большинство звёзд, туманности - это полностью ионизованная плазма. Внешняя часть земной атмосферы (ионосфера) тоже плазма.

Ещё выше располагаются радиационные пояса, содержащие плазму.

Полярные сияния, молнии, в том числе шаровые, - всё это различные виды плазмы, наблюдать которые можно в естественных условиях на Земле. И лишь ничтожную часть Вселенной составляет вещество в твёрдом состоянии - планеты, астероиды и пылевые туманности.

Под плазмой в физике понимают газ, состоящий из электрически

заряженных и нейтральных частиц, в котором суммарный электрический заряд равен нулю, т. с. выполнено условие квазинейтральности (поэтому, например, пучок электронов, летящих в вакууме, не плазма: он несет отрицательный заряд).

1.1. Наиболее типичные формы плазмы

Свойства и параметры плазмы

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:

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 ее поверхности, которыми можно пренебречь. Если это условие соблюдено, плазму можно считать квазинейтральной. Математически оно выглядит так:

Плазменная частота: среднее время между столкновениями частиц должно быть велико по сравнению с периодом плазменных колебаний. Эти колебания вызываются действием на заряд электрического поля, возникающего из-за нарушения квазинейтральности плазмы. Это поле стремится восстановить нарушенное равновесие. Возвращаясь в положение равновесия, заряд проходит по инерции это положение, что опять приводит к появлению сильного возвращающего поля, возникают типичные механические колебания. Когда данное условие соблюдено, электродинамические свойства плазмы преобладают над молекулярно-кинетическими. На языке математики это условие имеет вид:

2.1. 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.

2.2. 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.

2.3. 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 оттемпературы. Даже слабо ионизированный газ, в котором менее 1 % частиц находятся в ионизированном состоянии, может проявлять некоторые типичные свойства плазмы (взаимодействие с внешнимэлектромагнитным полем и высокая электропроводность). Степень ионизации α определяетя как α = ni/(ni + na), где ni - концентрация ионов, а na - концентрация нейтральных атомов. Концентрация свободных электронов в незаряженной плазме ne определяется очевидным соотношением: ne= ni, где - 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), очистка газов и жидкостей (озонирование воды и сжигание частичек сажи в дизельных двигателях).

Плазма - это частично или полностью ионизированный газ, в котором плотности положительных и отрицательных зарядов практически одинаковы. Поэтому в целом плазма является электрически нейтральной системой.

Определяется отношением числа ионизированных атомов к их общему числу

В зависимости от степени ионизации плазма подразделяется на слабо ионизированную ( - доли процента), частично ионизированную ( - несколько процентов) и полностью ионизированную ( = 100%). Слабо ионизированной плазмой является ионосфера - верхний слой земной атмосферы. В состоянии полностью ионизированной плазмы находится Солнце, горячие звезды. Солнце и звезды представляют собой гигантские сгустки горячей плазмы, где температура очень высокая, порядка 10 6 - 10 7 К. Искусственно созданной плазмой различной степени ионизации является плазма в газовых разрядах, газоразрядных лампах.

Существование плазмы связано либо с нагреванием газа, либо с излучением различного рода, либо с бомбардировкой газа быстрыми заряженными частицами.

Ряд свойств плазмы позволяет рассматривать ее как особое состояние вещества. Плазма - самое распространенное состояние вещества. Плазма существует не только в качестве вещества звезд и Солнца, она заполняет и космическое пространство между звездами и галактиками. Верхний слой атмосферы Земли также представляет собой слабо ионизированную плазму. Частицы плазмы интенсивно взаимодействуют с внешними электрическими и магнитными полями: из-за большой подвижности заряженные частицы плазмы легко перемещаются под действием электрических и магнитных полей. Поэтому любое нарушение электрической нейтральности отдельных областей плазмы, вызванное скоплением частиц с зарядом одного знака, быстро исчезает. Возникающие электрические поля перемещают заряженные частицы до тех пор, пока электрическая нейтральность не восстанавливается и электрическое поле не становится равным нулю.

Между заряженными частицами плазмы действуют кулоновские силы, сравнительно медленно убывающие с расстоянием. Каждая частица взаимодействует сразу с большим количеством окружающих частиц. Благодаря этому наряду с хаотическим тепловым движением частицы плазмы могут участвовать в разнообразных упорядоченных движениях. В плазме легко возбуждаются разного рода колебания и волны. Проводимость плазмы увеличивается по мере роста степени ионизации. Электропроводность и теплопроводность полностью ионизированной плазмы зависят от температуры по законам

соответственно. При высокой температуре полностью ионизированная плазма по своей проводимости приближается к сверхпроводникам.

Ионизация атомов межзвездной среды производится излучением звезд и космическими лучами - потоками быстрых частиц, пронизывающими пространство Вселенной по всем направлениям. В отличие от горячей плазмы звезд температура межзвездной плазмы очень мала.

Управление движением плазмы в электрических и магнитных полях является основой ее использования как рабочего тела в различных двигателях для непосредственного превращения внутренней энергии в электрическую - плазменные источники электроэнергии, магнитогидродинамические генераторы. Для космических кораблей перспективно использование маломощных плазменных двигателей. Мощная струя плотной плазмы, получаемая в плазмотроне, широко используется для резки и сварки металлов, бурения скважин, ускорения многих химических реакций. Проводятся широкомасштабные исследования по применению высокотемпературной плазмы для создания управляемых термоядерных реакций.

На фото - полное солнечное затмение, наблюдавшееся во Франции в 1999 году. Остроконечное гало света - это плазма из короны Солнца

Материя существует в четырех возможных состояниях: твердом, жидком, газообразном и в виде плазмы, представляющей собой электрифицированный газ. Мы редко сталкиваемся с естественной плазмой - ее можно увидеть при грозе и северном сиянии или если смотреть на Солнце через специальный фильтр. Тем не менее, плазма, при всей ее скудности в нашей повседневной жизни, составляет более 99% наблюдаемой материи во Вселенной (то есть если не учитывать темную материю).

Как образуется плазма

Представьте себе, что вы нагреваете контейнер, полный льда, и наблюдаете, как он переходит из твердого состояния в жидкое и затем в газ. По мере того как температура поднимается, молекулы воды становятся более энергичными и возбудимыми и перемещаются все более и более свободно. Если вы продолжите нагрев, то при температуре около 12 тысяч градусов по Цельсию атомы сами начнут распадаться. Электроны убегут из ядер, оставляя позади заряженные частицы, известные как ионы, которые, в итоге, оказываются в супе электронов. Это и есть состояние плазмы.

Плазма в физике и в крови

Связь между кровью и «физической» плазмой - это больше, чем просто совпадение. В 1927 году американский химик Ирвинг Ленгмюр заметил, что, как плазма переносит электроны, ионы, молекулы и другие примеси, так и плазма крови переносит красные и белые кровяные тела и микробы. Ленгмюр стал пионером в изучении плазмы. Вместе со своим коллегой Леви Тонксом он также обнаружил, что плазма характеризуется быстрыми колебаниями электронов из-за коллективного поведения частиц.

Еще одним интересным свойством плазмы является ее способность поддерживать так называемые гидромагнитные волны-выпуклости, которые движутся через плазму вдоль линий магнитного поля, подобно тому, как колебания распространяются вдоль гитарной струны. Когда в 1942 году шведский ученый Ханнес Альфвен, который впоследствии стал лауреатом Нобелевской премии, впервые предположил существование этих волн, сообщество физиков отнеслось к этому скептически. Но после того, как Альфвен прочитал лекцию в Чикагском университете, известный физик и преподаватель Энрико Ферми подошел к нему, чтобы обсудить теорию, признав, что такие волны могут существовать.

Термоядерный синтез

Одним из самых больших стимулов развития современной плазменной науки является перспектива управляемого термоядерного синтеза, при котором атомы сливаются вместе и выделяют интенсивные, но управляемые всплески энергии. Это обеспечило бы почти безграничный источник безопасной, экологически чистой энергии, но это не такая простая задача. Прежде чем на Земле произойдет такое слияние, плазма должна быть нагрета до более чем 100 миллионов градусов по Цельсию, что примерно в 10 раз горячее, чем центр Солнца. Но и это не самое сложное, поскольку ученым удалось достичь такой температуры в 1990-е годы. Однако горячая плазма очень нестабильна, поэтому ее трудно хранить и ею трудно управлять.

Попытки достичь управляемого термоядерного синтеза датируются началом 1950-х годов. В то время исследования проводились тайно Соединенными Штатами, а также Советским Союзом и Великобританией. В США, Принстонский Университет был точкой опоры для этого исследования. Там физик Лайман Спитцер начал проект Matterhorn, в рамках которого секретная группа ученых пыталась достичь управляемого термоядерного синтеза с помощью устройства под названием «стелларатор». У них не было компьютеров, и приходилось полагаться только на собственные расчеты. Хотя они не решили головоломку, они в конечном итоге разработали «энергетический принцип», который и сегодня остается мощным методом проверки идеальной стабильности плазмы.

Токамак

Между тем, ученые Советского Союза создали другое устройство - токамак. Эта машина, разработанная физиками Андреем Сахаровым и Игорем Таммом, использовала сильное магнитное поле, чтобы загнать горячую плазму в форму пончика. Токамак лучше удерживал плазму в горячем и стабильном состоянии, и по сей день большинство исследовательских программ по термоядерному синтезу опираются на дизайн токамака. Сегодня Китай, Европейский Союз, Индия, Япония, Корея, Россия и США объединились для строительства крупнейшего в мире реактора на токамаке, открытие которого ожидается в 2025 году. Тем не менее, в последние годы также возродился энтузиазм в отношении стеллараторов, и крупнейший в мире открылся в Германии в 2015 году. Инвестирование в оба метода, вероятно, дает нам лучший шанс в конечном итоге добиться успеха.

Плазма в околоземном пространстве

Плазма также связана с физикой пространства вокруг Земли, где вещества переносятся с помощью ветров, генерируемых в верхней атмосфере Солнца. Нам повезло, что магнитное поле Земли защищает нас от заряженных плазменных частиц и разрушительного излучения такого солнечного ветра, однако все наши спутники, космические корабли и астронавты подвергаются этому воздействию. Их способность выжить в этой враждебной среде зависит от понимания и приспособления к причудам плазмы.

В новой области, известной как «космическая погода», физика плазмы играет роль, аналогичную динамике жидкости в наземных атмосферных условиях. Есть такое явление, как магнитное пересоединение, при котором линии магнитного поля в плазме могут разрываться и пересоединяться, что приводит к быстрому высвобождению энергии. Считается, что этот процесс питает солнечные вспышки, хотя детальное понимание остается труднодостижимым. Но в будущем мы сможем предсказывать солнечные бури так же, как и плохую погоду на Земле.

В чем плазма помогает нам сегодня

Возможно, однажды физика плазмы даст нам представление о том, как впервые сформировались звезды, галактики и скопления галактик. Согласно стандартной космологической модели, плазма была распространена в ранней Вселенной, затем все стало остывать и заряженные электроны и протоны связывались вместе, чтобы сделать атомы водорода электрически нейтральными. Это состояние продолжалось до тех пор, пока не образовались первые звезды и черные дыры, которые начали излучать радиацию, после чего Вселенная «реионизировалась» и вернулась в состояние плазмы.

Сегодня благодаря плазме ученые могут находить черные дыры. Они настолько плотные, что практически не отражают свет, поэтому практически невидимы для прямого наблюдения. Однако черные дыры, как правило, окружены вращающимся диском плазменного вещества, который движется в пределах гравитационного притяжения черной дыры и испускает фотоны высокой энергии. Именно их ученые могут наблюдать в рентгеновском спектре.

Плазма все еще кажется нам довольно экзотичным состоянием вещества, но по мере того, как мы будем учиться использовать ее потенциал и расширять наш взгляд на космос, она в один прекрасны день может стать для нас такой же обычной, как лед и вода. А если мы когда-нибудь достигнем контролируемого ядерного синтеза, то без плазмы мы больше просто не сможем жить.

Плазмой называется сильно ионизован­ный газ, в котором концентрации положи­тельных и отрицательных зарядов практи­чески одинаковы. Различают высокотемпе­ратурную плазму, возникающую при сверхвысоких температурах, и газоразряд­ную плазму, возникающую при газовом разряде. Плазма характеризуется сте­пенью ионизации  - отношением числа ионизованных частиц к полному их числу в единице объема плазмы. В зависимости от величины  говорят о слабо ( со­ставляет доли процента), умеренно (- несколько процентов) и полностью ( близко к 100 %) ионизованной плазме.

Заряженные частицы (электроны, ионы) газоразрядной плазмы, находясь в ускоряющем электрическом поле, обла­дают различной средней кинетической

энергией. Это означает, что температура Т е электронного газа одна, а ионного Т и - другая, причем Т е >Т и . Несоответствие этих температур указывает на то, что газо­разрядная плазма является неравновес­ной, поэтому она называется также неизо­термической. Убыль числа заряженных частиц в процессе рекомбинации в газо­разрядной плазме восполняется ударной ионизацией электронами, ускоренными электрическим полем. Прекращение дейст­вия электрического поля приводит к исчез­новению газоразрядной плазмы.

Высокотемпературная плазма являет­ся равновесной, или изотермической, т. е. при определенной температуре убыль числа заряженных частиц восполняется в результате термической ионизации. В та­кой плазме соблюдается равенство сред­них кинетических энергий составляющих плазму различных частиц. В состоянии подобной плазмы находятся звезды, звезд­ные атмосферы, Солнце. Их температура достигает десятков миллионов градусов.

Условием существования плазмы яв­ляется некоторая минимальная плотность заряженных частиц, начиная с которой можно говорить о плазме как таковой. Эта плотность определяется в физике плазмы из неравенства L>>D, где L - линейный размер системы заряженных частиц, D - так называемый дебаевский радиус экра­нирования, представляющий собой то рас­стояние, на котором происходит экраниро­вание кулоновского поля любого заряда плазмы.

Плазма обладает следующими основ­ными свойствами: высокой степенью иони­зации газа, в пределе - полной иониза­цией; равенством нулю результирующего пространственного заряда (концентрация положительных и отрицательных частиц в плазме практически одинакова); боль­шой электропроводностью, причем ток в плазме создается в основном электрона­ми, как наиболее подвижными частицами; свечением; сильным взаимодействием с электрическим и магнитным полями; ко­лебаниями электронов в плазме с большой частотой (~=10 8 Гц), вызывающими об­щее вибрационное состояние плазмы; «коллективным» - одновременным взаи-

модействием громадного числа частиц (в обычных газах частицы взаимодейству­ют друг с другом попарно). Эти свойства определяют качественное своеобразие плазмы, позволяющее считать ее особым, четвертым, состоянием вещества.

Изучение физических свойств плазмы позволяет, с одной стороны, решать мно­гие проблемы астрофизики, поскольку в космическом пространстве плазма - наиболее распространенное состояние ве­щества, а с другой - открывает принци­пиальные возможности осуществления уп­равляемого термоядерного синтеза. Ос­новным объектом исследований по управ­ляемому термоядерному синтезу является высокотемпературная плазма (~=10 8 К) из дейтерия и трития (см. § 268).

Низкотемпературная плазма (< 10 5 К) применяется в газовых лазерах, в термоэлектронных преобразователях и магнитогидродинамических генераторах (МГД-генераторах) - установках для не­посредственного преобразования тепловой энергии в электрическую, в плазменных ракетных двигателях, весьма перспектив­ных для длительных космических поле­тов.

Низкотемпературная плазма, получае­мая в плазмотронах, используется для рез­ки и сварки металлов, для получения неко­торых химических соединений (например, галогенидов инертных газов), которые не удается получить другими способами, и т. д.

Контрольные вопросы

Какие опыты были поставлены для выяснения природы носителей электрического тока в метал­лах?

Каковы основные идеи теории Друде - Лоренца?

Сравните порядок средних скоростей теплового и упорядоченного движения электронов в ме­таллах (при условиях, близких к нормальным и приемлемых в электротехнике).

Почему тепловое движение электронов не может привести к возникновению электрического тока?

Выведите на основе классической теории электропроводности металлов дифференциальную форму законов Ома и Джоуля - Ленца.

Как классическая теория электропроводности металлов объясняет зависимость сопротивления металлов от температуры?

В чем заключаются трудности элементарной классической теории электропроводности ме­таллов? Каковы границы ее применения?

Что называется работой выхода электрона и чем она обусловлена? От чего она зави­сит?

Какие существуют разновидности эмиссионных явлений? Дайте их определения.

Объясните вольт-амперную характеристику для вакуумного диода.

Можно ли изменять силу тока насыщения вакуумного диода? Если да, то как?

Каким образом можно вырвать электроны из холодного катода? Как называется это явле­ние?

Дайте объяснение качественной зависимости коэффициента вторичной электронной эмиссии диэлектрика от энергии падающих электронов.

Охарактеризуйте процесс ионизации; рекомбинации.

В чем отличие самостоятельного газового разряда от несамостоятельного? Каковы условия, необходимые для его существования?

Может ли возникнуть ток насыщения при самостоятельном газовом разряде?

Охарактеризуйте типы самостоятельного газового разряда. В чем их особенности?

К какому типу газового разряда относится молния?

В чем отличие равновесной плазмы от неравновесной?

Приведите основные свойства плазмы. Каковы возможности ее применения?

Задачи

13.1. Концентрация электронов проводимости в металле равна 2,5 10 22 см -3 . Определить среднюю скорость их упорядоченного движения при плотности тока 1 А/мм 2 .

13.2. Работа выхода электрона из вольфрама составляет 4,5 эВ. Определить, во сколько раз увели­чится плотность тока насыщения при повышении температуры от 2000 до 2500 К. [В 290 раз]

13.3. Работа выхода электрона из металла равна 2,5 эВ. Определить скорость вылетающего из металла электрона, если он обладает энергией 10 -1 8 Дж.

13.4. Воздух между пластинами плоского конденсатора ионизируется рентгеновским излучением. Сила тока, текущего между пластинами, 10 мкА. Площадь каждой пластины конденсатора равна 200 см 2 , расстояние между ними 1 см, разность потенциалов 100 В. Подвижность поло­жительных ионов b + = 1,4 см 2 /(В с) к отрицательных b - = 1,9 см 2 /(В с); заряд каждого иона равен элементарному заряду. Определить концентрацию пар ионов между пластинами, если ток далек от насыщения.

13.5. Ток насыщения при несамостоятельном разряде равен 9,6 пА. Определить число пар ионов, создаваемых в 1 с внешним ионизатором.

* Это явление получило в древности на­звание огней святого Эльма.

* К. Рикке (1845-1915) - немецкий физик.