Плазма - четвёртое состояние вещества

 

  

Тема: «Плазма - четвёртое состояние вещества».

План.  

1. Введение .

2. Что такое плазма  и её распространение  во Вселенной .

3. Возникновение плазмы .

3.1 Высокотемпературная и газоразрядная виды плазмы .

4. Энергия частиц  плазмы .

5. Особенности движения  частиц плазмы .

5.1 Квазинейтральность плазмы .

6. Плазменные явления  в металлах и  полупроводниках  .

7. Движение частиц  в плазме .

8. Применение плазмы  в науке и технике  .

9. Заключение .

10. Список литературы .  

 

1. Введение 

     Тысячелетия интенсивного развития, исследования жизни и природы привели человека к познанию четырёх состояний вещества. Плазма оказалась самым таинственным из них. С момента, когда человек впервые открыл для себя её существование, исследование плазмы и её практическое применение пошли семимильными шагами. Возникла и стала активно развиваться такая на сегодняшний день перспективная наука, как плазмохимия.

    Еще во времена Древней Греции  учёный Аристотель знал, что все тела состоят из четырёх низших элементов-стихий: земли, воды, воздуха и огня. Сегодня эти понятия изменили свои имена, но не смысл. Действительно, каждый знает, что вещество может находиться в четырёх состояниях: твёрдом, жидком, газообразном и плазменном.

2. Что такое плазма 

и её распространение  во Вселенной.

    Термин "плазма" предложили использовать  американскими физиками Ленгмюром и Тонксом в 1923 году.

     Плазма – нормальная форма существования вещества при температуре порядка 10 000 градусов и выше, она представляет собой газ, в котором значительная часть атомов или молекул ионизиована. Удивительно, но плазма - наиболее распространённое состояние вещества в природе, на неё приходится около 99% массы Вселенной. Солнце и звёзды, как уже было сказано выше, представляют собой не что иное, как сгустки высокотемпературной плазмы, верхний слой атмосферной оболочки Земли, так называемая, ионосфера, также образован из плазмы, ещё выше располагаются радиационные пояса, содержащие плазму. Полярные сияния, молнии, в том числе и 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.

    Плюс к этому, плазма обладает очень интересными свойствами, которые находят всё более широкое применение в разработках, посвящённых большим проблемам современной техники.

3. Возникновение плазмы.

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

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

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

  

 

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

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

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

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

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

3.1. Высокотемпературная 

и газоразрядные виды плазмы.

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

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

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

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

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

     В отличие от обычной газовой смеси, все частицы которой независимо от их принадлежности к той или иной составляющей имеют одинаковую среднюю кинетическую энергию беспорядочного теплового движения, у электронов, ионов и нейтральных атомов плазмы газового разряда средняя кинетическая энергия различна. Гораздо более высокими энергиями, чем ионы, обладаю электроны, а кинетическая энергия ионов превышает энергию нейтральных атомов и молекул. Таким образом, плазма представляет собой смесь компонент с различными температурами.

4. Энергия частиц  плазмы.

   Средняя величина кинетической энергии W _T беспорядочного теплового движения W связана с температурой T следующим соотношением :

где k – так называемая постоянная Больцмана, равная 1,38 Ч эрг/град. В плазме, вместо одной общей температуры, из-за различия в величине средней кинетической энергии электронов, ионов и нейтральных частиц различают три : электронную T _e , ионную T _i и атомную T ₀ . Обычно T _e >> T _i > T _{0 ,} где “>>” означает “во много раз больше”. Очень большое различие между T _e и T _i , характерное для большинства форм газового разряда, объясняется громадной разницей в величине массы электронов и ионов.

    Потому что лёгкие электроны являются носителями электрического тока, внешние источники электрической энергии, с помощью которых создаётся и поддерживается газовый разряд, передают энергию непосредственно электронам плазмы. Благодаря столкновениям с быстро движущимися электронами ионы приобретают свою энергию. При каждом отдельном столкновении из-за большого различия в массе лёгкий электрон передаёт иону лишь небольшую часть своей кинетической энергии. Проанализировав, закон сохранения энергии и закон сохранения суммарного количества движения, можно увидеть, что если тело малой массы m сталкивается упруго с телом во много раз большей массы M , то относительная доля кинетической энергии, которую легкое тело в состоянии передать тяжёлому, не может превысить . Отношение массы электрона к массе иона равно 1 : 1840 A , где A – атомный вес вещества, которому принадлежат ионы, поэтому наибольшая величина, передаваемой энергии составляет всего лишь . Для того, чтобы полностью отдать имеющийся у него излишек энергии, электрон должен испытать очень много столкновений с ионами.

    Параллельно процессам, при которых происходит обмен энергией между электронами и ионами, идёт процесс приобретения энергии электронами от источников электрического тока, питающего разряд, в плазме при газовом разряде всё время поддерживается большой перепад температур между электронами и ионами. Так, например, в упоминавшихся выше газоразрядных приборах величина T _e обычно лежит в пределах нескольких десятков тысяч градусов, в то время как величины T _i и T ₀ не превышают одной-двух тысяч градусов. При дуговом разряде, который используется в электросварке, электронная и ионная температуры ближе друг к другу вследствие того, что в этом случае разряд происходит в газе с большой плотностью и частые столкновения между электронами и ионами быстро выравнивают разность температур. При некоторых специальных условиях в сильно ионизированной плазме ионная температура может значительно превысить электронную. Такие условия возникают, например, при кратковременных разрядах большой мощности в экспериментальных установках. Например, можно взять угольные электроды, создать высокое давление, и подвести ток большой силы. В этом случае в узком межэлектродном пространстве возникнет сильно ионизированная плазма при температуре 50 000 K.

5.Особенности  движения

частиц  плазмы.

Рассмотрим  особенности движения частиц плазмы.

    Движения частиц обычного газа ограничиваются только столкновениями между собой или со стенками сосуда, в котором находиться этот газ. А движение частиц плазмы может быть ограничено магнитным полем. Плазму можно сдерживать магнитной стенкой, толкать магнитным поршнем или запирать в магнитной ловушке. В сильном магнитном поле частицы плазмы крутятся вокруг магнитных силовых линий. Вдоль магнитного поля частица движется свободно. Подробнее об этом будет рассказано ниже.

5.1 Квазинейтральность плазмы.

    Даже если плазма образуется в результате ионизации химически простого газа, например азота, кислорода или паров ртути, её ионная компонента будет содержать ионы различных сортов – с одним, двумя, тремя или более электронными зарядами.

   Кроме атомарных ионов могут присутствовать молекулярные ионы, нейтральные атомы и молекулы. Каждая из этих компонент характеризуется своей концентрацией n и температурой T . В общем случае, когда в плазме присутствуют однозарядные ионы с концентрацией n ₁ , двухзарядные – с концентрацией n ₂ , трёхзарядные – с концентрацией n ₃ и т.д., можно записать равенство : n _e = n ₁ + 2n ₂ + 3n ₃ + …