Стародавні греки подарували нам, крім чудових творів мистецтва, прекрасне за своєю наївною простоті уявлення про будову світу. Вони вважали, що в основі всіх речей лежать чотири «почала», або «стихії»: земля, вода, повітря і вогонь. Вже за часів Ломоносова стало відомо, що перші три з них - всього лише різні стани речовини, які називаються відповідно твердим, рідким і газоподібним. А вогонь? Довгий час вчені не виділяли його в самостійну форму існування матерії. І лише в останні десятиліття вдалося проникнути в таємниці вогняного стану речовини, що отримав назву плазми.
ВІД ТРЬОХ СТАНІВ - до четвертої
Щоб зрозуміти, чим відрізняється четвертий стан від всіх інших, звернемося до «цеглинці» будь-якої речовини - атомів. Атом кожного речовини складається з позитивно зарядженого ядра і оболонки з негативно заряджених електронів, що рухаються по різних орбітах. Зруйнувати цю оболонку не просто: сили електричного взаємодії утримують електрони на їх орбітах.
... У сонячний весняний день можна спостерігати, як тане шматок льоду на бруківці. Ось лід потемнів, розпушити, під ним з'явилася вода. Потім над водою Закурилися тоненькі цівки туману, а через невеликий час зникла і вода: вона випарувалася. В обох цих перетвореннях електронна оболонка атомів, що входять в молекулу води, приймає мало участі. Сонячні промені, нагріваючи лід, спочатку повідомляють його молекулам теплову енергію, достатню для того, щоб зруйнувати кристалічну решітку льоду. Потім теплова енергія, передана молекулам води, розриває зв'язки між ними - в результаті виникає пар. Помістимо його в посудину і станемо нагрівати.
Доведеться запастися терпінням. Прилад показує п'ятсот, тисячу, дві тисячі градусів. Ми все ще нічого не помічаємо. Але ось при температурі в кілька тисяч градусів в посудині виникає слабке світіння, яке стає все більш яскравим у міру подальшого підвищення температури.
Фізик скаже, що тепер пари води перейшли в полум'яне стан. А ми й не помітили цього. Але що не видно людському оку, не складає таємниці для чутливих фізичних приладів. Вони і повідають нам про те, що їм вдалося «побачити».
На що витрачається теплова енергія, що підводиться до посудини з газом? На збільшення швидкості руху молекул. Вони все швидше носяться в посудині, частіше і енергійніше стикаються один з одним. При цьому електронні оболонки їх атомів «трясуть» сильніше, поки від них не починають відриватися зовнішні, найбільш слабо пов'язані з ядром електрони. Атоми набувають позитивний заряд і стають іонами.
Прилад сповіщає нас: почалася іонізація - в газі з'явилися вільні електрони і іонізовані атоми. Температура підвищується, і оболонки атомів «тріщать по швах». Внутрішні електрони намагаються вибратися з атома. Але якщо у самого «виходу» їм не допоможе нове зіткнення, ядро втягне їх назад. При поверненні електрони віддають свою енергію у вигляді електромагнітного випромінювання, яке реєструється приладом. Та ми й самі бачимо: газ почав світитися.
При подальшому підвищенні температури світіння в посудині поступово стає сліпуче яскравим, нестерпним для очей. Плазма досягає, якщо можна так висловитися, ідеального стану: в посудині залишилися тільки вільні електрони і зовсім оголені ядра атомів. Уявний термометр, якщо його помістити в посудину, показав би при цьому температуру в кілька мільйонів градусів.
ВСЕ НЕ ТАК ПРОСТО
Ми не обмовилися. Уявним є не тільки термометр, а й сам досвід. Нагріти газ до такої температури зовсім не так просто, як, наприклад, закип'ятити воду в чайнику.
Перша лазівка, через яку вислизає підводиться до газу енергія, - це стінки судини, які нагріваються. Навіть якщо зробити їх з теплоізоляційного матеріалу, то і в цьому випадку температуру можна підвищувати лише до того моменту, поки газ не почне світитися. Тепер енергія вислизає з газу у вигляді електромагнітного випромінювання. Не допомагають при цьому і дзеркальні стінки.
Очевидно, що енергію в газ треба підводити НЕ тепловим шляхом. Яким же? Найкращим способом отримання плазми є електричний розряд. У чому його переваги? По-перше, всі процеси протікають набагато швидше, ніж при хімічної реакції горіння. До того ж тривалість розряду можна обмежити мільйонними частками секунди, а потужність довести до мільйонів кіловат. Це важливо: розряд дозволяє підводити енергію в газ швидше, ніж вона вислизає з газу.
У природі і в побуті ми зустрічаємо багато прикладів електричного розряду в газах. Це блискавка і вольтова дуга, світіння проводів високої напруги і іскри в електричному ланцюзі. Але чому електричний струм взагалі йде через гази, які, як відомо, є ізоляторами? Разом з цим питанням виникає багато інших, настільки ж цікавих.
ІОНИ В КІМНАТІ. ХОЛОДНА ПЛАЗМА
Виявляється, газ є ізолятором, так би мовити, тільки теоретично. Практично ж він, хоч і слабо, завжди проводить електричний струм. Дехто, мабуть, і не підозрює, що в повітрі, яким ми дихаємо, знаходяться іони. Ті самі іони, які, здавалося б, можуть утворюватися лише при дуже високих температурах. Їх поява викликана дією космічних променів, а також радіоактивних речовин, що знаходяться в земній корі. Правда, цих іонів дуже мало, але вони і є та «доріжка», по якій струм входить в газ.
Однак гість в чужому домі може вести себе по-різному. Якщо напруга на електроди невелика, то розряд можна виявити лише за допомогою чутливих приладів - йде слабенький струм, і атоми газу в більшості залишаються нейтральними. Підвищимо напруга. Струм збільшиться. Все більше атомів газу втягується в процес іонізації, поки, нарешті, не виникає лавинний розряд, а з ним і полум'яне стан речовини.
Ми вже знаємо, що для того, щоб отримати плазму, треба розігріти газ до високої температури. Але доторкніться до лампи денного світла. Не бійтеся обпектися: стінки її абсолютно холодні. Тим часом ртутний пар в ній світиться, а це ознака плазми. Як же так? Справа в тому, що в одній і тій же плазмі можуть одночасно існувати кілька різних температур.
Щоб зрозуміти це, згадаємо визначення температури - не життєвий, а наукове. Температура є мірою середньої енергії хаотичного руху частинок речовини. Чим більше ця енергія, тим вище температура. У іонізіруемом газі щонайменше три сорти частинок: електрони, іони і нейтральні атоми. А якщо є суміш газів, то число різних сортів частинок ще більше. Коли газ нагрівають, то зіткнення між його частинками в кінці кінців, призводять до вирівнювання енергій руху всіх видів частинок в ньому, тобто до вирівнювання температури. У плазмі встановлюється якась середня температура. Така плазма називається ізотермічної.
Інша справа - іонізація газу електричним розрядом. Тут вирівнювання енергій не відбувається. Коли через газ проходить струм, то електрони, наскакуючи на нейтральні атоми, майже не змінюють енергію їх руху, так як дуже легкі в порівнянні з атомами. Зате електрони можуть іонізувати і порушувати атоми, і тоді виникає світіння. Іншими словами, середня енергія електронів вище, ніж середня енергія іонів, а отже, і температура електронів вище, ніж у іонів.
Це неізотерміческімі плазма. Вона існує в лампах денного світла, в яких електронна температура може доходити до десятків тисяч градусів - газ світиться. Іонна ж температура не перевищує кімнатної - стінки лампи холодні. Вирівняти ці температури можна лише при дуже високому тиску.