Плазма - четвёртое состояние вещества

   Из этого соотношение между концентрацией отрицательных и положительных зарядов в плазме можно утверждать о том, что плазма в целом квазинейтральна - в ней нет заметного избытка зарядов одного знака над зарядами другого. Это свойство плазмы оно имеет существенное значение и в нём содержится само определение понятия “плазма”.

    А с какой степенью точности в ионизированном газе должно соблюдаться условие квазинейтральности?.

   Каким бы путём не создавалась ионизация, нельзя утверждать, что положительных и отрицательных зарядов должно быть поровну. Из-за различия в скоростях движения электронов и ионов, электроны могут с большей лёгкостью покидать объём, в котором они возникли. Поэтому если в результате процесса ионизации атомов первоначально образуется одинаковое количество зарядов противоположного знака, то вследствие быстрого исчезновения электронов, погибающих на стенках аппаратуры, внутри которой находиться ионизированный газ, ионы, должны оставаться в значительном большинстве, т.е. не о какой нейтральности не может быть и речи. Но не следует забывать о том, что при преимущественной утечке зарядов одного знака в ионизированном газе немедленно образуется избыток зарядов другого знака, который способствует выравниванию потока электронов и ионов и препятствует увеличению разницы между концентрациями частиц обоих знака. Условия, при которых этот эффект будет достаточен для того, чтобы поддерживать квазинейтральность, можно описать следующим образом.

    Рассмотрим ионизированный газ, в котором кроме ионов присутствуют однозарядные ионы. Из условия квазинейтральности n _e должно очень мало отличатся от n _i . Заметное отклонение, n _e от n _i должно каким - либо образом отразиться на поведении других частиц.

    Если число заряженных частиц в объёме невелико, то создаваемые ими электрические поля слишком слабы для того, чтобы повлиять на их движение, даже если все поля складываются. Тогда отдельные электроны и ионы в своём поведении никак не будут связаны друг с другом, и каждая частица будет двигаться так, словно все другие отсутствуют. Следовательно, условие квазинейтральности здесь не обязательно выполняется.

    Рассмотрим противоположный случай ионизированному газу с высокой концентрацией заряженных частиц, занимающему большой объём - избыточные заряды, возникающие при сильном нарушении равенства между n _e и n _i , создают электрические поля, достаточные для выравнивания потоков и восстановления квазинейтральности.

    Таким образом, в конечном счёте, всё зависит от соотношения между потенциальной энергией отдельного иона или электрона в электрическом поле, возникающем при нарушении квазинейтральности, и величиной средней кинетической энергии частиц, связанной с их тепловым движением.

6.Плазменные  явления

в металлах и полупроводниках.

До сих пор  речь шла о газовой плазме. Однако плазменные явления возникают часто  в объектах, казалось бы, далёких от газов.

Например, рассмотрим металлы или полупроводники. Они имеют следующую структуру : есть решётка, состоящая из упорядоченно расположенных частиц – ионов или нейтральных частиц, и есть газ хаотически перемещающихся носителей электричества, называемых электронами (заряд отрицательный) и дырками (заряд положительный). Электроны и дырки в твёрдых телах не являются частицами в полном смысле этого слова - в свободном состоянии именно таких частиц (то есть с соответствующими зарядом и массой) нет.               Несмотря на это, их движение описывается уравнениями, подобными уравнениям, описывающим движения обычных частиц – с той лишь разницей, что роль массы здесь играют некоторые величины, зависящие от структуры вещества, которые часто называют эффективными массами электронов и дырок, а сами электроны и дырки в твёрдых телах именуют квазичастицами (лат. quasi – почти).

   Поскольку поведение заряженных квазичастиц аналогично поведению электронов и ионов, то и свойства газа электронов и дырок сходны со свойствами газовой плазмы. Отсюда и название такой системы – твёрдотельная плазма.

7. Движение частиц  в плазме.

Плазму  можно рассматривать как некоторую  частную форму газовой смеси (в простейшем случае как смесь двух компонент : электронного и ионного газа), но по целому ряду основных физических свойств она отличается от обычного газа, содержащего лишь нейтральные частицы.

    Прежде всего, это различие проявляется в поведении плазмы под действием электрических и магнитных полей. Плазма под действием таких полей может очень сильно изменять свои свойства, в отличие обычному нейтральному газу, на который электрические и магнитные поля не оказывают заметного воздействия.

    Под действием электрического поля (даже очень слабого) в плазме появляется электрический ток, а в магнитном поле плазма ведёт себя, как своеобразное диамагнитное вещество. Плазма может также интенсивно взаимодействовать с электромагнитными волнами, например, радиоволны могут отражаться от плазмы, как от зеркала.

    Попробуем, для начала, нарисовать общую картину движения заряженной частицы в плазме. Путь каждого иона или электрона грубо представим себе состоящим из отрезков, на протяжении которых частица движется свободно, не испытывая взаимодействия с соседями. Эти участки свободного движения частиц прерываются кратковременными столкновениями, в результате которых направление движения меняется. В промежутках между двумя последовательными столкновениями частица движется под действием общего электрического или магнитного поля, созданного в плазме за счёт внешних источников. Такая упрощённая картина поведения частицы, нуждается в серьёзных поправках, учитывающих основные особенности плазмы, которые, прежде всего, проявляются в характере её собственного электрического поля, которое существует независимо от внешних источников.

    Каждая заряженная частица создаёт вокруг себя электрическое поле с радиально расходящимися от неё силовыми линиями. Поля от отдельных с зарядами разных знаков, складываясь между собой, в среднем компенсируют друг друга. Однако это не означает, что в каждый данный момент времени электрическое поле в какой-либо выбранной нами точке в точности равно нулю. Поле в любой точке плазмы в действительности очень быстро изменяется и по величине, и по направлению, и эти хаотические колебания дают нуль, только если рассчитывать среднюю величину напряжённости поля за достаточно длинный интервал времени.

    Напряжённость собственного электрического поля плазмы испытывает сильные хаотические колебания, как во времени, так и в пространстве, быстро изменяясь на очень малых расстояниях.

   Заряженная частица, находясь в электрическом поле, движется по законам, напоминающим обычные законы движения тел в поле тяжести.

    На рисунку показаны траектории заряженных частиц в электрическом поле, направленном по вертикальной оси. Стрелки- скорости движения частиц в некоторый момент времени. Сила, действующая на заряженную частицу, равна qE , где q – заряд и E – напряжённость поля. Для однозарядных частиц q = ± e , где e – элементарный электрический заряд, а для многозарядных ионов q представляет собой небольшое целое, кратное e ( e= к ). Под действием этой силы однозарядный положительный ион с массой m _i приобретает ускорение , которое направленно вдоль вертикальной оси вверх. Ускорение электрона направлено вниз и численно равно , где m _e – масса электрона. Электрон гораздо легче иона, и поэтому ускорение, которое получает электрон, во много раз больше, чем ускорение иона. Траектория заряженной частицы в однородном электрическом поле всегда составляет собой параболу. Форма этой параболы зависит от свойств частицы, начальных условий движения и величины E . Пусть, например, электрическое поле направленно по оси y , а начальная скорость v ₀ – вдоль оси x (траектория I на рисунке). В этом случае движение частицы по оси x будет равномерным, а по оси y – равноускоренным.  

8. Применение плазмы  в науке и технике.

    Наиболее широко плазма применяется в светотехнике - в газоразрядных лампах, освещающих улицы, и лампах дневного света. А кроме того в самых разнообразных газоразрядных приборах: выпрямителях электрического тока, стабилизаторах напряжения, плазменных усилителях и генераторах СВЧ, счётчиках космических частиц.

    Все так называемые газовые лазеры (гелий - неоновый, криптоновый, на диоксиду углерода и др. ) на самом деле плазменные: газовые смеси в них ионизированы электрическим разрядом.

   Созданы также плазменные двигатели, магнитогидродинамические станции, разрабатываются различные схемы плазменного ускорения частиц.

    Наиболее подходящая среда для реакций, которые не могут протекать в обычных условиях по термодинамическим причинам - электрическая дуга. Можно зажечь плазму в кислороде и использовать высокую реакционную способность получающегося при этом озона. В азотной плазме можно получить такие экзотические соединения, как тетрафторид азота N ₂ F ₄ или нитрид титана TiN. Водородная плазма проявляет восстанавливающее действие, поэтому её можно применять для вскрытия железных руд. Продолжительность реакций в высокотемпературной плазме крайне мала. Метан, например, при 4 800 – 5 300 K за 1/10000 c на 75 - 80% превращается в ацителен. Главным преимуществом методов плазмохимии является то, что состав исходного сырья может колебаться в широких пределах. Реакции могут протекать и в холодной плазме при температурах ниже 400 K. Интересным примером может послужить азотирование в тлеющем разряде, применяемое для поверхностного упрочнения стали.

9. Заключение.

     Плазма – ещё мало изученный объект не только в физике, но и в химии (плазмохимии), астрономии и многих других науках. Поэтому важнейшие технические положения физики плазмы до сих пор не вышли из стадии лабораторной разработки. В настоящее время плазма активно изучается т.к. имеет огромное значение для науки и техники. Эта тема интересна ещё и тем, что плазма – четвёртое состояние вещества, о существовании которого люди не подозревали до XX века. Возможно, что плазма и есть тот первоэлемент, который так упорно искали алхимики средних веков?  

Вопросы.   

10. Список литературы :  

1. Арцимович Л.А. Элементарная физика плазмы, М, Атомиздат, 1966.
2. Вурзель Ф.Б., Полак Л.С. Плазмохимия, М, Знание, 1985.
3. Ораевский Н.В. Плазма на Земле и в космосе, К, Наукова думка, 1980.
4. Поллер З. Химия на пути в третье тысячелетие, М, Мир, 1982.
5. Франк-Каменецкий Д.А. Плазма – четвёртое состояние вещества, М, Атомиздат, 1975.
6. Энциклопедический словарь юного физика, 3 изд., М, Педагогика-Пресс, 1995.