Плазма

Немного поподробнее о плазме. Нам уже известно, что плазма – это такое состояние вещества, при котором ионы и электроны перемешаны более или менее равномерно между собой, но из-за высокой температуры не связываются между собой в электрически нейтральный атом, а свободно перемещаются куда хотят. Если температуру плазмы снизить, то скорость передвижения электронов и ионов замедлится, и они тут же притянутся друг к другу и объединятся в электрически нейтральный атом.

Общий электрический заряд плазмы равен нулю, конечно, но, поскольку электроны и ионы перемещаются там крайне хаотично, то время от времени в одном участке плазменного объема возникает избыток отрицательного заряда, а в противоположном ему, само собой, избыток положительного. Эти избытки могут возникать и в более причудливых конфигурациях, поэтому говорят, что плазма «квазинейтральна» («квази» означает «почти»). Мы уже сталкивались с подобным эффектом, когда обсуждали силы Ван-дер-Ваальса.

Плазма может быть полностью ионизированной или частично.

Так как в плазме в огромном количестве имеются свободные электроны, то она является электропроводящей средой, то есть она может проводить ток, как и металлы, например, ведь в металлах тоже есть свободные электроны, т.е. такие, которые не связаны с определенными атомами, и могут перемещаться по всему объему, занимаемому металлом. Соответственно плазма может взаимодействовать с электрическими и магнитными полями. Пользуясь этим ее свойством люди и пытаются осуществлять управляемый термоядерный синтез, удерживая плазму в переменных электромагнитных полях так, чтобы она не касалась стенок камеры, в которой она содержится, ведь если так сильно разогретая плазма коснется стенок камеры, то, во-первых, она тут же начнет остывать, а во-вторых – никакой материал стенок камеры не выдержит столь страстно-горячего прикосновения и тут же расплавится. Задача удержания плазмы в магнитных полях очень сложная, и пока ее не могут удовлетворительно решить. Но я думаю, что можно было бы облегчить техническое решение вопроса, если все-таки согласиться с тем, что плазма будет иногда касаться стенок камеры. В момент такого мгновенного касания участок стенки камеры если и расплавится, то затем снова вернется в твердое состояние. Тот кусочек плазмы, который коснется стенки камеры, тут же немного остынет и будет немедленно «всосан» обратно горячей плазмой.

Скорее всего, рано или поздно люди найдут способ создавать такую плазму, которая будет сама по себе устойчива даже без каких-то ужасно сильных магнитных полей, ведь все мы знаем о существовании шаровой молнии. А это и есть сгусток плазмы, который, как мы знаем, прекрасно может довольно долго жить сам по себе без каких-либо поддерживающих его внешних мощных полей – шаровая молния – любопытная морда – она может плавать туда-сюда довольно долго, прежде чем с треском исчезнет.

Плазма иногда называется четвёртым (после твёрдого, жидкого и газообразного) агрегатным состоянием вещества, потому что ее свойства совершенно не похожи ни на свойства твердого тела, ни жидкости, ни газа. Любопытно, что многие философы античности утверждали, что мир состоит из четырех стихий: земли, воды, воздуха и огня. Это положение с учетом некоторых допущений укладывается в современное научное представление о четырех агрегатных состояниях вещества, причем плазме, очевидно, соответствует огонь.

Для землян плазма существует с 1879 года, когда это агрегатное состояние вещества открыл Крукс, а между тем во Вселенной 99,9% всего вещества находится именно в состоянии плазмы! Все звезды состоят из нее. Межзвездное пространство тоже содержит в себе очень разреженный ионизированный газ, но не всякий ионизированный газ является плазмой.

Исторический срез: в 1879 году произошло важное событие – был подписан «Двойственный договор» между Германий и Австрией. Он состоял в том, что если Россия нападет на одну из стран, то вторая тоже объявит России войну. Спустя три года к блоку примкнула и Италия, и союз стал «Тройственным», и обязывал его участников совместно воевать в случае агрессии со стороны России или Франции и вообще оказывать друг другу всяческую поддержку. Таким образом, в 1879 году был сделан важный шаг к объединению Европы, поскольку для того, чтобы уравновесить Тройственный союз, аналогично стали объединяться между собой Россия, Великобритания и Франция - «Антанта». И хотя, объединившись между собой, страны сначала стали воевать друг с другом, но в конечном итоге, как мы видим, победил здравый смысл.

Интересно – тебе нравятся эти исторические отступления? Мне они нравятся. Тут сидит Крукс и открывает четвертое агрегатное состояние вещества, а в это время происходят процессы, которые оказывают влияние на столетия вперед.

Еще в 1879 году Эдисон начал испытывать первую лампочку накаливания, так что вскоре и Крукс и другие ученые смогут писать свои труды и проводить свои эксперименты в более комфортных условиях.

Для того, чтобы ионизированный газ стал обладать свойствами, присущими плазме, должны выполняться несколько условий, среди которых – достаточно высокая плотность. Плотность должна быть такой, чтобы каждый ион и электрон так сильно взаимодействовал с соседними, чтобы начали возникать специальные эффекты, присущие плазме.

Интересно отметить, что в силу квазинейтральности плазма испытывает колебания – своего рода пульс. Это легко объяснить. Допустим, из-за хаотичности перемещения ионов и электронов в каком-то месте образовалась избыточная концентрация электронов. Значит где-то по соседству будет избыточная концентрация положительно заряженных ионов. Между этими областями возникнет электрическое притяжение и они понесутся друг к другу. Но когда толпы электронов и ионов встретятся, они же не могут мгновенно остановиться! Они по инерции пробегут немного дальше, в результате чего снова образуется положительно и отрицательно заряженные области, которые теперь понесутся обратно… и снова по инерции пролетят дальше. Такие колебания в плазме довольно устойчивы.

Вернемся к вопросу о температуре. Сто миллионов градусов – это какая-то кошмарно высокая температура. Ведь даже внутри Солнца температура достигает «лишь» тринадцати с половиной миллионов градусов! (Там термоядерный синтез успешно идет и при такой температуре, потому что атомы дополнительно еще и сжимаются гигантскими гравитационными силами). Но здесь нужно понимать огромную разницу между температурой макроскопического тела – той температурой, которую мы можем измерить градусником, и температурой в микромире. Понятие «температуры» непростое, и чтобы хорошо в нем разобраться, нам нужно будет когда-нибудь потом тщательно этот вопрос рассмотреть, а пока что я на простом примере покажу эту разницу. Мы знаем, что температура и энергия – взаимосвязанные понятия, так как «тепло» - один из видов энергии. Поэтому мы можем температуру выразить численно через энергию. В результате расчетов получим, что 1эВ = 11600 К°.

(К° - это градусы Кельвина. Шкала Кельвина отличается от шкалы Цельсия тем, что по шкале Цельсия за «0» принята температура плавления льда, а в шкале Кельвина нулем считают температуру абсолютного идеального вакуума. Таким образом, 0 С° примерно равен 273 К°, 10 С° примерно равны 283 К° и т.д.)

Значит на разогрев частицы до ста миллионов градусов потребует всего лишь 8.6 КэВ! Совсем не так много – мы встречались уже с энергией в тысячи раз больше. Получается удивительная картина – отдельные элементарные частицы могут носиться вокруг нас с температурой в миллионы и миллиарды градусов, а мы этого не замечаем и заметить не можем, так как для того, чтобы заметно нагрелась некоторая заметная для нас масса вещества, достаточная температура должна передаться всем триллионам составляющих это вещество молекул, а вот на это уже потребуется очень много энергии, которой нет у отдельных микрочастиц.

В плазме электронная температура по той же причине существенно превышает температуру ионов –– масса иона в десятки тысяч раз превышает массу электрона. Как маленькой грелке тяжело нагреть заболевшего бегемота (я пробовал как-то – безуспешно, но бегемоту все равно понравилось и мы подружились), так и электрону это сложно сделать с ионом, так что электроны могут иметь температуру в несколько десятков тысяч градусов, а ионы – несколько сот.

Плазма – страшно интересное явление. Возможность проводить токи делает плазму сильно подверженной влиянию магнитного поля, что приводит к возникновению таких явлений как появление нитевидных структур (филаментирование), слоев, струй и многих других очень сложных объектов. Совсем недавно были произведены наблюдения, в которых внутри плазмы образовывались плазменные же объекты, удивительным образом похожие на живые примитивные существа типа бактерий, которые точно так же размножались делением и т.д. Так что я ни исключаю, что четвертое агрегатное состояние вещества окажется благоприятным для зарождения в нем совершенно фантастических форм жизни. А стало быть, звезды перестанут представляться нам в виде эдаких примитивных ядерных реакторов. Внутри звезд могут существовать формы жизни, возможно и более высокоразвитой, чем наша. Что-то мне подсказывает, что так оно и есть.

Живым может оказаться даже такое, вроде бы совершенно далекое от образов, связанных с жизнью, вещество, как межзвездное пространство, которое очень сильно разрежено и также обладает признаками плазмы и называется «низкотемпературная плазма». Как ни интересно продолжать изучать плазму, мы все же пока отставим ее в сторону и продолжим изучение атома, ведь пока мы не разобрались в основах атомной физики, нам невозможно изучать что-либо более подробно.

Поиск по сайту: