§ 178а. плазма
Речовина в стані плазми.
Можна привести газ в іонізованних стан шляхом підвищення температури. Термічна іонізація газу починається при температурі близько 6000 ° С. Середня енергія руху молекул стає вже достатньою для того, щоб забезпечити часті зіткнення між молекулами, які приносять енергію, необхідну для відриву електрона чи іншої іонізації.
Ступінь іонізації залежить від температури і тиску газу. Із зростанням тиску іонізація зменшується.
При температурах порядку десятків тисяч градусів і вище газ нейтральних атомів або молекул, укладений в деякому обсязі, переходить в новий стан, який називають плазмою.
Плазма, що утворилася з інших речовин, може мати більш складний склад. У ній можуть знаходитися електрони, оголені ядра і різні іони. Зрозуміло, плазма в тій або іншій кількості містить і нейтральні частинки. Однак при високих температурах цей відсоток дуже малий. Для прикладу, наведеного вище, на один нейтральний атом доведеться на заряджених протонів.
У стані плазми речовина існує в зірках і Сонце. Верхній шар атмосфери, так звана іоносфера, також є плазмою.
Отримати в земних умовах речовина в стані плазми шляхом нагрівання посудини, зрозуміло, неможливо через відсутність вогнетривких матеріалів. Однак за допомогою спеціально підібраних форм магнітних полів навіть гарячу плазму вдається утримати в обмеженому обсязі.
Якщо всі частинки плазми вільно обмінюються енергією, то плазма швидко прийде в стан рівноваги, т. Е. Середня енергія електронів та іонів буде однаковою, незважаючи на велику різницю мас частинок. Іони плазми рухаються повільно в порівнянні з електронами. У ряді розрахунків їх можна навіть вважати нерухомими.
Швидкість встановлення рівноваги між частинками різних сортів може коливатися від незначних часток секунди до секунд в разі гарячої плазми (близько 108 К).
Прикладом нерівноважної плазми є плазма газового розряду. Зовнішні джерела передають енергію насамперед
електронам. А вирівнювання енергії електронів та іонів відбудеться лише після великого числа зіткнень. Тому в газовому розряді електронна температура Ті багато більше іонної У дугового розряду - близько багатьох десятків тисяч градусів, порядку тисяч градусів.
Для того щоб дати уявлення про поведінку частинок в плазмі, наведемо результат простих розрахунків, взятих з книги Л. Арцимовича, Елементарна фізика плазми, Атомиздат, 1963.
Для водневої плазми високої концентрації (1014 іонів на один кубічний сантиметр) ми отримаємо для холодної плазми
Для гарячої плазми (108 К) довжина і час вільного пробігу рівні відповідно
Наведені дані відносяться до сутичок електронів з іонами.
Розглянемо тепер питання про електричному полі плазми. Воно сильно змінюється і в просторі, і в часі. Проте можна розрахувати середнє поле системи, що містить рівне число іонів і електронів, розташованих на деякій середній відстані I один від одного. Неважко зрозуміти, що через нейтральності плазми середнє поле плазми по порядку величини повинна дорівнювати полю одного заряду на відстані I від нього, т. Е. Де концентрація. Таким чином, для водневої плазми, взятої вище як приклад, Це поле змінюється дуже швидко. Воно може змінити знак за час порядку часу пробігу і на відстані близько відстані між частинками.
Ми сказали вище про нейтральність плазми. Це її властивість є необхідною і виконується, незважаючи на хаотичність руху електронів, дуже строго. При великій різниці концентрацій електричне поле негайно почне виштовхувати частки, присутні в надлишку, і притягувати частинки іншого знака. Такий автоматизм діє з величезною точністю (перешкоджає абсолютно мізерному відхилення від нейтральності) вже для невеликих обсягів, радіус яких більше т. Е. Для плазми нашого прикладу - більше см.
Плазма є джерелом електромагнітних хвиль з довжинами, що лежать в широкому діапазоні. Як відомо, гальмування електрона породжує суцільний спектр електромагнітних хвиль (так утворюються рентгенівські промені) з частотами від нуля до де максимальна енергія електрона. Для оцінки порядку величини довжини хвилі гальмівного випромінювання плазми можна покласти Тоді виявиться, що у холодної плазми гальмівне випромінювання буде видимим і інфрачервоним, а у гарячої плазми - рентгенівським.
Важливим джерелом випромінювання є рекомбінація протона (іона) з електроном. При цьому, очевидно, випромінюється фотон з енергією, що дорівнює енергії зв'язку частинок протилежних знаків.
Поряд з випромінюванням, що носять однаковий характер для різних речовин, що знаходяться в стані плазми, плазма випромінює характеристично лінійчатих спектри (їх походження описано в §§ 199 і 203), оскільки до складу плазми входять певні збуджені атоми і іони.