Солнце это плазма или нет

ПЛАЗМА — СОСТОЯНИЕ СОЛНЕЧНОЙ МАТЕРИИ

Несмотря на то, что почти вся масса во Вселенной существует в состоя­нии плазмы, в земных условиях с плазмой мы сталкиваемся чрезвычайно редко, например в таких случаях, как разряд молнии или разряд радиационного источ­ника. Однако вся масса звезд, включая наше Солнце (за исключением нейтрон­ных звезд) и большая часть межзвездной массы находятся в плазменном со­стоянии, в сравнении с которым вся остающаяся масса вселенной — «мусор». Все планеты, астероиды, луны, кометы и даже наша собственная Земля — части (того «мусора». Плазма — источник электромагнитных волн и, в особенности, видимого света. В высокотемпературной плазме электрически заряженные час­тицы перемещаются с огромными скоростями, взаимодействуя друг с другом и быстро изменяя скорости и направления движения. Спектр такой радиации не­прерывен. В низкотемпературной плазме присутствуют атомы с электронами, связанными в электронных оболочках. Их взаимодействия приводят к перехо­дам электронов между различными энергетическими уровнями в электронных оболочках. Энергия, высвобождаемая в результате таких переходов на более низкие уровни, также испускается в форме электромагнитных волн. Спектр этого излучения имеет линейчатую или полосчатую картину.

Свойства плазмы отличаются весьма существенно от свойств твердых тел, жидкостей и газов. Поэтому плазму принято считать четвертым состояни­ем вещества.

Что такое плазма? В принципе, плазма это вещество в высокоионизиро­ванном состоянии, соответствующем некоторым другим условиям (так как ве­щество всегда до некоторой степени ионизовано). Не только в газах, но также и в твердых телах множество свободных электронов (движущихся на фоне поло­жительно заряженных ионов, твердо зафиксированных в кристаллической ре­шетке), могут наблюдаться как плазма. По определению, плазма — квазинейт­ральный газ заряженных и нейтральных частиц, ведущих себя коллективно. Что это означает?

Нейтральные молекулы взаимодействуют только путем взаимных столк­новений таким образом, чтобы их поведение зависело только от поведения ближайших соседних молекул. Однако движение электрически заряженных частиц может создавать области с более высокой или более низкой концентра­цией положительного или отрицательного заряда и, следовательно, электриче­ских полей. Через электромагнитное взаимодействие эти области влияют на движение других заряженных частиц на больших расстояниях, поскольку

Кулоновские (электростатические) силы намного сильнее и продолжительнее, чем сила взаимодействия между атомами и молекулами.

Плотность электрически заряженных частиц в плазме должна быть доста­точно высокой, чтобы электромагнитные взаимодействия доминировали над столкновениями между нейтральными атомами и молекулами. Отсюда специ­фическое движение плазмы. Под коллективным поведением мы понимаем дви­жение, которое зависит не только от условий в непосредственной близости, но также и от плазменных условий на больших расстояниях. Таким образом, плаз­ма оказывает воздействие на себя. Это движение может ясно наблюдаться, на­пример, в солнечных извержениях (протуберанцах).

Плотность электрически заряженных частиц в плазме должна быть высо­кой еще и для того, чтобы электромагнитные взаимодействия доминировали над столкновениями между нейтральными атомами и молекулами. В этих условиях ионизированный газ способен экранировать внешние электрические поля, фор­мируя объемные заряды. Эти объемные заряды препятствуют тем изменениям, которые создали их, действуют против них и устанавливают новое равновесие. Экранирующий объемный заряд заряженных частиц с противоположным заря­дом образуется вокруг внешнего электрического заряда, который встроен в плазму и поддерживается там внешней силой, как это показано на рис. 4.1.

Ширина этого слоя увеличивается с температурой и уменьшается с увели­чением плотности частиц. Это и понятно. Кинетическая энергия заряженных час­тиц вызывает недостаточное экранирование, так что вне объемного заряда элект­рическое поле не равно нулю, но приближается к нулю, как показано на рис. 4.2.

По этой причине у частиц вблизи экранирующего слоя кинетической энер­гии достаточно для того, чтобы покинуть потенциальную яму, созданную элект­ростатическими силами. Более высокая температура заряженных частиц приво­дит к большей диффузности экранирующего слоя и к большей его ширине.

Рис. 4.2. Форма потенциала в экранирующем слое в плазме

С другой стороны, чем выше концентрация заряженных частиц, тем выше электростатические силы. Следовательно, объемный заряд имеет более резкую границу. Трудности с определением точной границы слоя экранирования при­водят к необходимости введения новой величины, названной длиной Дебая, ко­торая является мерой экранирующей способности плазмы. Математика дает экспоненциальную зависимость для электрического потенциала (р от расстоя­ния d, и длина Дебая XD определяется как расстояние, на котором электрический

потенциал (р() уменьшается до —, где е — известная математическая константа —

основа натуральных логарифмов.

Квазинейтральность означает, что с точки зрения макроскопической пер­спективы плотность электронов фактически равна плотности ионов даже в ма­лых объемах плазмы; это называют плазменной плотностью. Плазма, таким об­разом, внешне электрически нейтральна, но с микроскопической точки зрения электромагнитные взаимодействия свободных электронов и ионов придают плазме ее некоторые особенности. Например, возможность того, что у электро­нов и ионов имеют место различные температуры в одной и той же плазме; дрейф или смещение частиц в магнитном поле; нагрев плазмы многоступенча­тым адиабатным сжатием в магнитных зеркалах (или так называемый пинч — эффект); плазменные волны (например, плазменные колебания, свист, ударные волны и т. д.); нелинейные эффекты (такие как существование стенного слоя); плазменный край (а именно, граница между частотами переданных и отражен­ных фотонов, то есть, электромагнитные волны) и т. д. Более детальное описа­ние этих эффектов не является предметом рассмотрения этой главы. Те, кто ин-

тересуется этими вопросами, могут найти дополнительную информацию в спе­циальной литературе, например в [6].

Чтобы соответствовать определению плазмы, данной выше, должны быть также выполнены и другие условия. Объем плазмы по размеру должен быть намного большим (по крайней мере, на один порядок величины), чем длина Де­бая. Только тогда, когда все внешние потенциалы будут экранированы на рас­стояниях, меньших, чем размер плазмы, квазинейтральность будет сохраняться. Более того, дебаевское экранирование будет иметь статистический характер, если число заряженных частиц будет достаточно большим. Небольшое количе­ство электронно-ионных пар не могут рассматриваться как плазма.

Температура — результат движения частиц. Однако температура плазмы требует несколько другой интерпретации, чем обычно. В плазме высокая тем­пература не связана с высокой тепловой энергией. Например во флуоресцент­ной трубе дуговой разряд низкого давления «горит» в смеси паров Аг и Hg. Различные температуры существуют в одной и той же плазме, поскольку элек­троны и ионы имеют различные массы и по-разному ускоряются в электриче­ском поле. Поэтому они имеют различные средние энергии. Электронная тем­пература имеет порядок Т *104К. Но давление газа низко, концентрация час­тиц относительно мала и теплоемкость низка. Тепловая энергия передается стеклянной трубе путем воздействия частиц, испускаемых в окружающую сре­ду. Температура задается статистическим распределением энергии индивиду­альных частиц [58]. Согласно соотношению Е = кТ, где к — постоянная Больц­мана, а температура Т = 11 600 К соответствует энергии Е = 1 eV. Это явление наблюдается также и в атмосфере Земли. На высотах, больших, чем h = 10 000 м от поверхности Земли, атмосфера более сильно ионизована под воздействием космического излучения. Температура плазмы достигает величины выше, чем Т> 10 000 К, в то время как температура воздуха очень мала. Следует подчерк­нуть, что при такой низкой температуре плазмы кратность ионизации обычно очень низка. Большинство атомов находится в нейтральном состоянии и только некоторые ионизованы. Процент ионизованных атомов — малая величина.

На рис. 4.3 представлены типичные области некоторых типов плазмы в за­висимости от ее плотности и энергии электрона. Для некоторых областей также даны порядки величины дебаевских длин в метрах. Очевидно, что у плазмы есть действительно очень широкие пределы. Она может существовать при концентра­циях заряженных частиц от я«106м

3 в межзвездном пространстве до ««Юм в ядрах звезд. При взрывах сверхновой звезды плотность может быть еще более высокой. Точно так же энергии заряженных частиц могут составлять величины около Е « 10 2 eV в межзвездном пространстве, около £ « 10 2 eV в ионно-электронном газе в твердом теле и до Е * 104 еV в ядрах самых горячих звезд. Но с какой плазмой мы можем обычно сталкиваться на Земле?

Степень ионизации в плазме пламени в классических процессах горения или быстрого окисления очень мала. При обычном горении температура в пла­мени составляет величину приблизительно Г = 1000 К, а в специально сконст­руированных горелках она достигает максимума — Т = 4500 К.

Источник

Четвертое состояние вещества

Физическое состояние вещества зависит от сочетаний температуры и давления. В зависимости от этих параметров вещество может принимать разные агрегатные состояния, такие как твердое тело, жидкость или газ. Однако существуют и другие фундаментальные состояния вещества. Одно из них — плазма, которая может возникать при определенных условиях. Термин «плазма» впервые был применен к ионизированному газу в 1929 году Ирвингом Лэнгмюром, американским химиком и физиком.

Агрегатное состояние вещества можно рассматривать как состояние элементарных частиц, составляющих вещество, и прочность связей между ними. Например, в (кристаллическом) твердом теле существуют сильные межмолекулярные связи, удерживающие атомы вместе в решетчатом образовании, придающие ему веществу определенный объем и форму. В жидкости эти силы так слабы, что вещество больше не имеет определенной формы, а в газе они уже настолько незначительны, что атомы или молекулы могут двигаться независимо друг от друга, но они все еще остаются атомами и молекулами. Плазма — это состояние вещества, которое имеет достаточно энергии для отделения электронов от ядра атома.

Атомы содержат одинаковое количество как положительно, так и отрицательно заряженных частиц. Из-за того, что протоны в ядре окружены равным количеством отрицательно заряженных электронов, каждый атом электрически нейтрален.

Плазма образуется, когда под воздействием тепловой или другой энергии ряд атомов высвобождают свои электроны. В результате атомы становятся положительно заряженными (ионами), а высвобожденные электроны могут свободно перемещаться. Когда достаточное количество атомов ионизируется, чтобы существенно повлиять на электрические характеристики газа, он становится плазмой. Проще говоря, плазма — это горячий ионизированный газ, состоящий примерно из одинакового количества положительно заряженных ионов и отрицательно заряженных электронов.

Свойства плазмы

Характеристики плазмы значительно отличаются от характеристик обычных нейтральных газов, поэтому плазма считается особым «четвертым состоянием вещества».

Наиболее важный эффект ионизации заключается в том, что плазма приобретает некоторые электрические свойства, которых неионизированный газ не имеет:

1) появляется электропроводность. Для того чтобы вещество обладало электропроводностью, в нем должны быть свободные заряженные частицы. В металлах эти свободные частицы распределяются между атомами, а электрический ток проявляется в форме направленного движения электронов, переходящих от одного атома к другому. Вещество в состоянии плазмы само по себе состоит из свободных заряженных частиц;

2) плазма реагирует на электрические и магнитные поля. Например, поскольку плазма состоит из электрически заряженных частиц, на нее сильно влияют электрические и магнитные поля, а нейтральные газы — нет. Примером такого влияния является захват энергичных заряженных частиц вдоль линий геомагнитного поля с образованием радиационных поясов Ван Аллена.

Помимо внешних электромагнитных полей, таких как магнитное поле Земли или межпланетное магнитное поле, на плазму воздействуют электрические и магнитные поля, создаваемые в самой плазме посредством локальных концентраций заряда и электрических токов, появляющихся в результате движения ионов и электронов. Силы, оказываемые этими полями на заряженные частицы, из которых состоит плазма, действуют на большие расстояния и придают поведению частиц целостное коллективное качество, которое нейтральные газы не проявляют;

3) несмотря на существование локализованных концентраций заряда и электрических потенциалов, плазма электрически «квазинейтральна», потому что в совокупности содержит примерно равное количество положительно и отрицательно заряженных частиц, распределенных так, что их заряды аннулируются.

Где в природе можно увидеть плазму?

Самый большой сгусток плазмы, который мы постоянно наблюдаем — это Солнце. Огромное количество тепла, выделяемое звездой, отрывает электроны от атомов водорода и гелия, из которых состоит Солнце. Фактически оно, как и другие звезды, представляет собой большой плазменный шар. Увидеть потоки и вспышки солнечной плазмы в высоком разрешении можно в красивейшем видео NASA «Термоядерное искусство» в конце статьи.

По оценкам, 99% вещества в наблюдаемой вселенной находится в плазменном состоянии, отсюда и выражение «плазменная вселенная». (Фраза «наблюдаемая вселенная» является важной характеристикой: считается, что примерно 90% массы вселенной содержится в «темной материи», состав и состояние которой неизвестны.) Звезды, звездные и внегалактические струи, и межзвездная среда является примером астрофизической плазмы. В нашей солнечной системе Солнце, межпланетная среда, магнитосферы и / или ионосферы Земли и других планет, а также ионосферы комет и некоторых планетных лун состоят из плазмы.

Огонь — это самая настоящая плазма. Хотя температура пламени, при горении различных веществ на Земле намного ниже, чем температура на Солнце, и оно гораздо менее ионизировано, но пламя огня проявляет все основные свойства плазмы. Даже небольшие и относительно холодные виды пламени, такие как пламя свечи, сильно реагируют на электрические поля и даже обладают значительной электропроводностью (большей, чем у воздуха, но меньшей, чем у железа).

Еще в природе плазменным состоянием вещества можно охарактеризовать молнии и искры разрядов статического электричества.

Где и как используется плазма?

Плазма широко используется в газоразрядных лампах для создания искусственного освещения, кроме того, во многих световых рекламных вывесках используется аргоновая или неоновая плазма.

Плазма также используется в сварке и резке металлов, а все газовые лазеры (на диоксиде углерода, гелий-неоновый, криптоновый, и другие) в действительности плазменные: в этих лазерах газовые смеси ионизованы электрическим разрядом.

Потенциально, одно из наиболее важных применений плазмы — это источник энергии ядерного синтеза.

Высокотемпературные плазмы настолько горячие, что внутри них могут происходить ядерные реакции. В этих условиях определенные типы атомов с легкими ядрами, такие как изотопы водорода, могут быть объединены в более тяжелые ядра. При этом выделяется большое количество энергии, которую можно было бы использовать для выработки электричества. Проблема в том, что получить настолько горячую и долговечную плазму очень трудно, но прогресс, уже достигнутый учеными, впечатляет.

Если вам понравилась статья, то поставьте лайк и подпишитесь на канал Научпоп. Наука для всех Оставайтесь с нами, друзья! Впереди ждёт много интересного!

Источник