Речовина у стані плазми

Речовина у стані плазми

Реферат з фізики
учня 10 «МІФ» класу Незамеева Марата.
Консультант: Солодова Олена Михайлівна.
Центр освіти № 654.
2000 рік.
Зміст:
"1-2" Виникнення плазми. 3
Квазінейтральності плазми. 10
Рух частинок плазми. 13
Застосування плазми в науці і техніці. 15
Використана література: 1
 

Довгий шлях вів людини до пізнання плазми, до її використанням

нію у різних галузях техніки. Коли ж наука і техніка включили плазму в сферу своєї уваги, зростання знань про неї та її практичне застосування пішли семимильними кроками. Тут і виникли Плазмохимія і плазмохімічних технологія.

Ще найбільший давньогрецький вчений Аристотель припускає-

лага, що всі тіла складаються з чотирьох нижчих елементів-стихій: землі, води, повітря та вогню. Подальший розвиток науки наповнило новим змістом ці терміни. Дійсно речовина може бути в чотирьох станах: твердому, рідкому, газоподібному і плазмовому.

Плазма є стан речовини, найбільш

поширене в космосі і володіє дуже цікавими властивостями, які знаходять все більш широке застосування в розробках, присвячених великих проблем сучасної техніки. Наприклад, Сонце і зірки є прикладами високотемпературної плазми.
Газ, в якому значна частина атомів або молекул іонізуючого
ована, називається плазмою. Ця назва було запропоновано в 1923 році американськими фізиками Ленгмюром та Тонксом. Плазма - нормальна форма існування речовини при температурі близько 10 000 градусів і вище. Разом з тим це найбільш поширене стан речовини в природних умовах. Сонце і зірки представляють собою не що інше, як згустки високотемпературної плазми. Верхній шар атмосферної оболонки Землі також утворений з плазми - це так звана іоносфера.

Виникнення плазми.

Нехай у замкненому посудині, зробленому з дуже тугоплавкого

матеріалу, перебувати невелика кількість якого-небудь речовини. Почнемо підігрівати посудину, поступово підвищуючи її температуру. Якщо спочатку речовина, що міститься в посудині, було в твердому стані, то в деякий момент воно почне плавитися, а при ще більш високій температурі випаруватися і утворився газ рівномірно заповнить весь об'єм. Коли температура досягне досить високого рівня, всі молекули газу (якщо це молекулярний газ) дисоціюють, тобто розпадуться на окремі атоми. У результаті в посудині буде міститися газоподібна суміш елементів, з яких складається речовина. Атоми цих елементів будуть швидко і безладно рухатися, відчуваючи час від часу зіткнення між собою.

Середня швидкість хаотичного теплового руху атомів

зростає пропорційно квадратному кореню з абсолютної температури газу. Вона тим більше, чим легше газ, тобто чим менше атомна вага речовини. Величину середньої швидкості v можна знайти за допомогою наступної формули:
Тут T - абсолютна температура плазми, A - атомна вага речовини. Швидкість виражається в сантиметрах на секунду.

Природно, виникає питання: як будуть змінюватися властивості

речовини, якщо нагрівання продовжитися далі і температура вийде за межі кількох тисяч градусів? Звичайно, при дуже високій температурі зображувану нами картину нагрівання речовини в тугоплавких посудині можна уявити тільки теоретично, тому що межа термічної стійкості навіть самих тугоплавких матеріалів порівняно невеликий - 3 000 - 4 000 градусів. Припустимо, що стінки посудини здатні протистояти як завгодно високій температурі, не руйнуючись і не зазнаючи ніяких змін. Отже, нагрівання продовжується. У такому випадку вже при 3 000 - 5 000 градусів ми зможемо помітити ознаки прояву нових процесів, які будуть пов'язані зі зміною властивостей самих атомів речовини.
Як відомо, кожен атом складається з позитивно заряджених
ного ядра, в якому зосереджена майже вся маса атома, і електронів, що обертаються навколо ядра й утворюють електронну оболонку атома. Ця оболонка і особливо її зовнішній шар, що містить електрони, порівняно слабко пов'язані з ядром, мають досить крихкою структурою. При зіткненні атома з якою-небудь швидко рухається часткою один із зовнішніх електронів може бути відірваний від атома, який перетворитися в позитивно заряджений іон. Саме цей процес іонізації і буде найбільш характерний для даної стадії нагрівання речовини. При досить високій температурі газ перестає бути нейтральним: у ньому з'являються позитивні іони і вільні електрони, відірвані від атомів.
В умовах, коли нагріте речовина перебувати в тепловому
рівновазі з навколишнім середовищем (у нашому випадку зі стінками уявного ідеального судини) при температурі в декілька десятків тисяч градусів, переважна частина атомів в будь-якому газі іонізована і нейтральні атоми практично відсутні. Наприклад при T = 30 000 градусів на 20 000 позитивних іонів доводитися всього лише один нейтральний атом.
Електронна оболонка атома водню містить тільки один
електрон, і тому з втратою атома іонізація закінчується. В атомах інших елементів електронна оболонка має більш складну структуру. До її складу входять електрони, що володіють різним ступенем зв'язку з атомом в цілому. Електрони, що належать до зовнішніх шарів оболонки, відриваються порівняно легко. Як вже говорилося вище, при температурі близько 20 000 - 30 000 градусів майже не повинно залишатися домішок нейтральних атомів. Це означає, що можна говорити про повну іонізації газу. Однак це не означає, що процес іонізації закінчився, тому що позитивні іони в згаданій області температур зберігають значну частину свого «електронного шати». Чим більше порядковий номер елемента в періодичній системі Менделєєва, тим більше число електронів в атомі і тим міцніше пов'язані електрони внутрішніх шарів оболонки з атомним ядром. Тому остаточна іонізація важких елементів тільки при дуже високих температурах (десятки мільйонів градусів). При цьому газ залишається в цілому нейтральним, тому що процеси іонізації не створюють надлишку в зарядах того чи іншого знака.
У іонізації газу при високій температурі беруть участь у заходах -
тя різні процеси взаємодії між окремими атомами, з одного боку, і електронами, іонами і світловим випромінюванням - з іншого.
Розрізняють високотемпературну плазму, що виникає при
надвисоких температурах, і газорозрядну плазму, що виникає при газовому розряді. Будь-яка плазма характеризується ступенем іонізації a - відношенням числа іонізованих частинок до повного їх числа в одиниці об'єму плазми. У залежності від величини a говорять про слабо (a складає долі відсотка), помірно (a - кілька відсотків) і повністю (a близько до 100%) іонізованої плазмі.
Проте, описаний нами спосіб отримання плазми на практи-
ке не є найкращим з-за складності його здійснення. Як у лабораторних дослідах, так і в техніці нормальним станом плазми вважають різні види електричних розрядів у газах. При електричному розряді через газ проходить струм. Носіями цього струму є електрони та іони, які утворюються в результаті іонізації газу. Сам процес іонізації нерозривно пов'язаний з проходженням струму. Тільки завдяки наявності струму в газі постійно виникають нові іони й електрони, і ступінь іонізації підтримується на певному рівні. Будь то блискавка, електрична дуга, розряд в люмінесцентній лампі денного світла - у всіх випадках ми маємо справу з явищами, що розігруються в сильно іонізованої плазмі. Тим часом між плазмою, що утворилася при нагріванні речовини разом з посудиною, в якому вона перебуває, і плазмою газового розряду є одна істотна відмінність. Плазма газового розряду не є у термічному відношенні рівноважної. Вона нагрівається зсередини за рахунок енергії, що виділяється за рахунок проходження струму, і охолоджується з поверхні внаслідок контакту з холодними стінками газорозрядного приладу або ж з оточуючими шарами звичайного газу. Плазма, що утворюється при інтенсивних газових розрядах, може мати у багато разів більшу температуру, ніж метал, скло або нейтральний газ, які її оточують. Крім того, така плазма термічно неравновесна ще в одному відношенні. Вона складається з суміші декількох компонент, неоднаково нагрітих. Однією з цих компонентів є електрони, інший - позитивні іони і третьої - нейтральні атоми. Вони так само рівномірно перемішані між собою, як кисень і азот в атмосфері.
Проте на противагу звичайної газової суміші, всі годину-
тіци якої незалежно від їх приналежності до тієї чи іншої складової мають однакову середню кінетичну енергію безладного теплового руху, у електронів, іонів та нейтральних атомів плазми газового розряду середня кінетична енергія різна. Електрони, як правило, мають набагато більш високими енергіями, ніж іони, а кінетична енергія іонів може перевищувати енергію нейтральних атомів і молекул. Тому можна сказати, що плазма представляє собою суміш компонент з різними температурами. Як відомо середня величина кінетичної енергії W _T безладного теплового руху W пов'язана з температурою T наступним співвідношенням:

де k - так звана постійна Больцмана, яка дорівнює 1,38 × ерг / град. Через відмінності у величині середньої кінетичної енергії електронів
, Іонів та нейтральних частинок в плазмі замість однієї загальної температури слід розрізняти три різні температури: електронну T _e, іонну T _i і атомну T _0. Зазвичай T _e>> T _i> T _0, де ">>" означає «в багато разів більше». Дуже велика різниця між T _e і T _i, характерне для більшості форм газового розряду, обумовлено величезною різницею у величині маси електронів та іонів. Зовнішні джерела електричної енергії, за допомогою яких створюється і підтримується газовий розряд, передають енергію безпосередньо електронам плазми, тому що саме легкі електрони є носіями електричного струму. Іони набувають свою енергію завдяки сутичок з швидко рухомими електронами. Однак при кожному окремому зіткненні з-за великої відмінності в масі легкий електрон передає іону лише невелику частину своєї кінетичної енергії. Простий аналіз, заснований на застосуванні закону збереження енергії і закону збереження сумарного кількості руху, показує, що якщо тіло малої маси m стикається пружно з тілом у багато разів більшої маси M, то відносна частка кінетичної енергії, яку легке тіло в змозі передати важкого, не може перевищити . Відношення маси електрона до маси іона дорівнює 1: 1840 A, де A - атомна вага речовини, якому належать іони. Отже найбільша величина, енергії, що передається соствляет всього . Тому електрон повинен пережити дуже багато зіткнень з іонами, для того, щоб повністю віддати наявний у нього надлишок енергії. Оскільки паралельно процесам, при яких відбувається обмін енергією між електронами та іонами, йде процес придбання енергії електронами від джерел електричного струму, що живить розряд, у плазмі при газовому розряді весь час поддержіваеться великий перепад температури між електронами та іонами. Так, наприклад, у згадуваних вище газорозрядних приладах величина T _e зазвичай лежить в межах декількох десятків тисяч градусів, у той час як величини T _i і T ₀ не перевищують однієї-двох тисяч градусів. При дуговому розряді, який використовується в електрозварювання, електронна та іонна температури ближче один до одного внаслідок того, що в цьому випадку розряд відбувається в газі з великою щільністю і часті зіткнення між електронами та іонами швидко вирівнюють різницю температур. При деяких спеціальних умовах в сильно іонізованої плазмі іонна температура може значно перевищити електронну. Такі умови виникають, наприклад, при короткочасних розрядах великої потужності в експериментальних установках. Наприклад, можна взяти вугільні електроди, створити високий тиск, і підвести струм великої сили. У цьому випадку у вузькому міжелектродному просторі виникне сильно Іонізована плазма при температурі 50 000 K.

Слід також розглянути особливості руху частинок пла-

зми. Руху частинок звичайного газу обмежуються тільки зіткненнями між собою або зі стінками посудини, в якому знаходитися цей газ. Рух частинок плазми може бути обмежене магнітним полем. Плазму можна стримувати магнітної стінкою, штовхати магнітним поршнем, замикати в магнітній пастці. У сильному магнітному полі частинки плазми крутяться навколо магнітних силових ліній. Уздовж магнітного поля частинка рухається вільно. Докладніше про це буде розказано нижче.

Квазінейтральності плазми.

Навіть у тому випадку, якщо плазма утворюється в результаті иони-

зації хімічно простого газу, наприклад азоту, кисню, пари ртуті, її іонна компоненту буде містити іони різних сортів - з одним, двома, трьома або більше електронними зарядами. Слід зазначити, що крім атомарних іонів можуть бути присутніми молекулярні іони, а також нейтральні атоми і молекули. Кожна з цих компонент буде характеризуватися своєю концентрацією n і температурою T. У загальному випадку, коли в плазмі присутні однозарядні іони з концентрацією n _1, двозарядні - з концентрацією n _2, тризарядних - з концентрацією n ₃ і т.д., можна записати рівність: n _e = n ₁ + 2n ₂ + 3n ₃ + ... Таке співвідношення між концентрацією негативних і позитивних зарядів у плазмі говорить про те, що плазма в цілому квазинейтральной, тобто в ній немає помітного надлишку зарядів одного знака над зарядами іншого. На цій властивості плазми слід зупинитися трохи докладніше, тому що воно має суттєве значення і, в кінцевому рахунку, у ньому міститься саме визначення поняття «плазма». Природно виникає питання: «З якою ступенем точності в іонізованому газі має дотримуватися умова квазінейтральності?». Яким би шляхом не створювалася іонізація, заздалегідь зовсім не очевидно, що позитивних і негативних зарядів повинно бути порівну. Через відмінності у швидкостях руху електронів та іонів, перші можуть з більшою легкістю залишати об'єм, в якому вони виникли. Тому якщо завдяки процесам іонізації атомів спочатку утворюється однакова кількість зарядів протилежного знака, то з-за швидкого зникнення електронів, що гинуть на стінках апаратури, усередині якої знаходитися іонізований газ, іони, здавалося б, повинні залишатися в значній більшості, тобто не про якусь нейтральності не може бути й мови. З іншого боку, необхідно врахувати, що при переважної витоку зарядів одного знака в іонізованому газі негайно утворюється надлишок зарядів іншого знака, який сприяє вирівнюванню потоку електронів та іонів і перешкоджає збільшенню різниці між концентраціями часток обох знака. Умови, за яких цей ефект буде достатній для того, щоб підтримувати квазінейтральності, можна описати таким чином.

Припустимо для простоти, що в іонізованому газі присут -

ствуют крім іонів тільки однозарядні іони. Квазінейтральності означає, що n _e дуже мало відрізняється від n _i. Як відбитися на поведінці окремих частинок помітне відхилення n _e від n _i? Тут одразу ж виділяються два крайніх випадку. Якщо число заряджених частинок в обсязі невелика, то створювані ними електричні поля дуже слабкі для того, щоб вплинути на їх рух, навіть якщо всі поля складаються. У цьому випадку окремі електрони та іони в своїй поведінці ніяк не пов'язані один з одним і кожна частинка рухається так, як ніби всі інші відсутні. Отже умова квазінейтральності тут не обов'язково виконується. Протилежний випадок іонізованому газу з високою концентрацією заряджених частинок, що розмістився великий об'єм. У цьому випадку надлишкові заряди, що виникають при сильному порушенні рівності між n _e і n _i, створюють електричні поля, достатні для вирівнювання потоків і відновлення квазінейтральності.

У кінцевому підсумку все залежить від співвідношення між потен-

ціальної енергією окремого іона або електрона в електричному полі, що виникає при порушенні квазінейтральності, і величиною середньої кінетичної енергії часток, пов'язаної з їх тепловим рухом.
До цих пір мова йшла про газову плазмі. Однак плазмові яв-
лення виникають часто в об'єктах, здавалося б, далеких від газів.

Зупинимося, наприклад, на металах або напівпровідниках. За

сучасним уявленням їх структура така: є решітка, що складається з впорядковано розташованих часток - іонів або нейтральних частинок, і є газ хаотично переміщаються носіїв електрики, званих електронами (заряд негативний) і дірками (заряд позитивний). Електрони і дірки у твердих тілах не є частинками в повному сенсі цього слова: у вільному стані саме таких частинок (тобто з відповідними зарядом і масою) немає. Тим не менш рівняння, що описують їх рух, подібні до рівнянь, що описує руху звичайних частинок - з тією різницею, що роль маси тут грають деякі величини, що залежать від структури речовини. Ці величини звичайно називають ефективними масами електронів і дірок. Тому електрони і дірки у твердих тілах іменують квазічастинками (лат. quasi - майже). Оскільки поведінка заряджених квазічастинок аналогічно поведінці електронів та іонів, то і властивості газу електронів і дірок схожі з властивостями газової плазми. Звідси і назва такої системи - твердотільна плазма.

Рух частинок плазми.

Хоча ми можемо розглядати плазму як деяку приватну

форму газової суміші (у простому випадку як суміш двох компонент: електронного та іонного газу), однак по цілому ряду основних фізичних властивостей вона відрізняється від звичайного газу, що містить лише нейтральні частинки. Ця різниця проявляється насамперед у поведінці плазми під дією електричних і магнітних полів. У противагу звичайному нейтрального газу, на який електричні і магнітні поля не роблять помітного впливу, плазма під дією таких полів може дуже сильно змінювати свої властивості. Під дією електричного поля (навіть дуже слабкого) у плазмі з'являється електричний струм. У магнітному полі плазма веде себе, як дуже своєрідне діамагнітне речовина. Плазма може також інтенсивно взаємодіяти з електромагнітними хвилями. Зокрема, це знаходить вираження в тому, що радіохвилі можуть відбиватися від плазми, як від дзеркала.

Спробуємо спочатку намалювати саму загальну картину руху-

ня зарядженої частинки в плазмі. Шлях кожного іона або електрона можна спочатку дуже грубо уявити собі складається з відрізків, протягом яких частка рухається вільно, не відчуваючи
внаслідок взаємодії з сусідами. Ці ділянки вільного руху частинок перериваються короткочасними зіткненнями, в результаті яких напрямок руху змінюється. У проміжках між двома послідовними зіткненнями частинка рухається під дією того загального електричного або магнітного поля, яке створене в плазмі за рахунок зовнішніх джерел. Це дуже спрощена картина поведінки частинки, і вона потребує серйозних поправках, які враховують основні особливості плазми, які проявляються перш за все в характері її власного електричного поля, що існує незалежно від зовнішніх джерел. Кожна заряджена частка створює навколо себе електричне поле з радіально розходяться від неї силовими лініями. Поля від окремих із зарядами різних знаків, складаючись між собою, в середньому компенсують один одного. Однак це не означає, що в кожен даний момент часу електричне поле в якій-небудь вибраної нами точці точно дорівнює нулю. Поле в будь-якій точці плазми в дійсності дуже швидко змінюється і по величині, і по напрямку, і ці хаотичні коливання дають нуль, тільки якщо розраховувати середню величину напруженості поля за досить довгий період часу.

Напруженість власного електричного поля плазми ис-

випробовують сильні хаотічес-кі коливання як в часі, так і в просторі, швидко змінюючись на дуже малих відстанях.
Заряджена частинка, знаходячи-
щаяся в електричному полі, рухається за законами, напоми-
нающие звичайні закони руху тіл в полі тяжіння.
Звернемося до малюнка, на якому показані траєкторії заряджених частинок у електричному полі, направленому по вертикальній осі. Стрілки зображують швидкості руху частинок в деякий момент часу. Сила, що діє на заряджену частку, дорівнює qE, де q - заряд і E - напруженість поля. Для однозарядних частинок q = ± e, де e - елементарний електричний заряд, а для багатозарядних іонів q представляє собою невелике ціле, кратне e (e = к). Під дією цієї сили однозарядний позитивний іон з масою m _i набуває прискорення , Яке направлено вздовж вертикальної осі вгору. Прискорення електрона спрямоване вниз і чисельно дорівнює , Де m _e - маса електрона. Електрон набагато легше іона, і тому прискорення, яке отримує електрон, у багато разів більше, ніж прискорення іона. Траєкторія зарядженої частинки в однорідному електричному полі завжди становить собою пораболу. Форма цієї пораболи залежить від властивостей частки, початкових умов руху і величини E. Нехай, наприклад, електричне поле направлено по осі y, а початкова швидкість v ₀ - вздовж осі x (траєкторія I на малюнку). У цьому випадку рух частинки по осі x буде рівномірним, а по осі y - рівноприскореним.

Застосування плазми в науці і техніці.

Електрична дуга - найбільш підходяще середовище для таких ре-
акцій, які не можуть протікати в звичайних умовах по термодинамічних причин. Можна запалити плазму в кисні і використовувати високу реакційну здатність виходить при цьому озону. В азотній плазмі можна отримати такі екзотичні сполуки, як тетрафторид азоту N ₂ F ₄ або нітрид титану TiN. Воднева плазма проявляє відновлює дію, тому її можна застосовувати для розтину залізних руд. Тривалість реакцій у високотемпературній плазмі вкрай мала. Метан, наприклад, при 4 800 - 5 300 K за 1 / 10000 c на 75 - 80% перетворюється в ацітелен. Головною перевагою методів плазмохімії є те, що склад вихідної сировини може коливатися в широких межах. Реакції можуть протікати і в холодній плазмі при температурах нижче 400 K. Цікавим прикладом може послужити азотування в тліючому розряді, що застосовується для поверхневого зміцнення сталі.
Плазма - ще мало вивчений об'єкт не тільки у фізиці, але й
в хімії (плазмохімії), астрономії і багатьох інших науках. Тому найважливіші технічні положення фізики плазми до цих пір не вийшли зі стадії лабораторної розробки. В даний час плазма активно вивчається тому має величезне значення для науки і техніки. Ця тема цікава ще й тим, що плазма - четвертий стан речовини, про існування якого люди не підозрювали до XX століття. Можливо, що плазма і є той першоелемент, який так завзято шукали алхіміки середніх століть?

Використана література :

1. Арцимович Л.А. Елементарна фізика плазми, М, Атоміздат, 1966.
2. Вурзель Ф.Б., Полак Л.С. Плазмохимія, М, Знання, 1985.
3. Ораевскій Н.В. Плазма на Землі і в космосі, К, Наукова думка, 1980.
4. Поллер З. Хімія на шляху в третє тисячоліття, М, Мир, 1982.