Вещество в состоянии плазмы
Плазма -
четвёртое состояние вещества.
Содержание.
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 газоразрядная 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, другой – 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.
Особенности движения
частиц плазмы.
Рассмотрим особенности движения частиц пла
змы.
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 иони
зации 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 + …
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 присут
ствуют 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 потен
циальной энергией отдельного иона или электрона в электрическом поле, возникающем при нарушении квазинейтральности, и величиной средней кинетической энергии частиц, связанной с их тепловым движением.
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 движе
ния 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 ис
пытывает 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 пораболу. Форма этой пораболы 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 ре-
акций, 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. Закючение.
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?
10. Список литературы
:
Арцимович Л.А. Элементарная физика плазмы, М, Атомиздат, 1966.
Вурзель Ф.Б., Полак Л.С. Плазмохимия, М, Знание, 1985.
Ораевский Н.В. Плазма на Земле и в космосе, К, Наукова думка, 1980.
Поллер З. Химия на пути в третье тысячелетие, М, Мир, 1982.
Франк-Каменецкий Д.А. Плазма – четвёртое состояние вещества, М, Атомиздат, 1975.
Энциклопедический словарь юного физика, 3 изд., М, Педагогика-Пресс, 1995.
|
