§ 178а. Плазма

Вещество в состоянии плазмы.

Можно привести газ в ионизованное состояние путем повышения температуры. Термическая ионизация газа начинается при температуре порядка 6000 °С. Средняя энергия движения молекул становится уже достаточной для того, чтобы обеспечить частые соударения между молекулами, приносящими энергию, необходимую для отрыва электрона или иной ионизации.

Степень ионизации зависит от температуры и давления газа. С возрастанием давления ионизация уменьшается.

При температурах порядка десятков тысяч градусов и выше газ нейтральных атомов или молекул, заключенный в некотором объеме, переходит в новое состояние, которое называют плазмой.

Нетрудно прикинуть, что при температурах 20000—30 000° водородный газ, например, плотность которого соответствует давлению 1 мм рт. ст. при комнатной температуре, окажется полностью ионизованным. Действительно, средняя энергия на одну степень свободы при температуре 30 000 °С равна килокалорий на моль. Это существенно больше энергии ионизации атома водорода. Таким образом, тепловые соударения превратят нейтральный газ в смесь двух «газов» — «газа» протонов и «газа» электронов. Это и есть плазменное состояние.

Плазма, образовавшаяся из других веществ, может иметь более сложный состав. В ней могут находиться электроны, оголенные ядра и различные ионы. Разумеется, плазма в том или ином количестве содержит и нейтральные частицы. Однако при высоких температурах этот процент совсем мал. Для примера, приведенного выше, на один нейтральный атом придется на заряженных протонов.

В состоянии плазмы вещество существует в звездах и Солнце. Верхний слой атмосферы, так называемая ионосфера, также является плазмой.

Получить в земных условиях вещество в состоянии плазмы путем нагревания сосуда, разумеется, невозможно из-за отсутствия огнеупорных материалов. Однако при помощи специально подобранных форм магнитных полей даже горячую плазму удается удержать в ограниченном объеме.

Если все частицы плазмы свободно обмениваются энергией, то плазма быстро придет в состояние равновесия, т. е. средняя энергия электронов и ионов будет одинаковой, несмотря на большое различие масс частиц. Ионы плазмы движутся медленно по сравнению с электронами. В ряде расчетов их можно даже считать неподвижными.

Скорость установления равновесия между частицами разных сортов может колебаться от ничтожных долей секунды до секунд в случае горячей плазмы (порядка 108 К).

Примером неравновесной плазмы является плазма газового разряда. Внешние источники передают энергию прежде всего

электронам. А выравнивание энергии электронов и ионов произойдет лишь после большого числа столкновений. Поэтому в газовом разряде электронная температура Те много больше ионной В дуговом разряде — порядка многих десятков тысяч градусов, порядка тысяч градусов.

Для того чтобы дать представление о поведении частиц в плазме, приведем результат простых расчетов, взятых из книги Л. Арцимовича, Элементарная физика плазмы, Атомиздат, 1963.

Для водородной плазмы высокой концентрации (1014 ионов на один кубический сантиметр) мы получим для холодной плазмы

Для горячей плазмы (108 К) длина и время свободного пробега равны соответственно

Приведенные данные относятся к столкновениям электронов с ионами.

Рассмотрим теперь вопрос об электрическом поле плазмы. Оно сильно меняется и в пространстве, и во времени. Тем не менее можно рассчитать среднее поле системы, содержащей равное число ионов и электронов, расположенных на некотором среднем расстоянии I друг от друга. Нетрудно понять, что из-за нейтральности плазмы среднее поле плазмы по порядку величины должно равняться полю одного заряда на расстоянии I от него, т. е. где концентрация. Таким образом, для водородной плазмы, взятой выше в качестве примера, Это поле меняется очень быстро. Оно может изменить знак за время порядка времени пробега и на расстоянии порядка расстояния между частицами.

Мы сказали выше о нейтральности плазмы. Это ее свойство является необходимым и выполняется, несмотря на хаотичность движения электронов, очень строго. При большой разнице концентраций электрическое поле немедленно начнет выталкивать частицы, присутствующие в избытке, и притягивать частицы другого знака. Такой автоматизм действует с огромной точностью (препятствует совершенно мизерному отклонению от нейтральности) уже для небольших объемов, радиус которых больше т. е. для плазмы нашего примера — больше см.

Плазма является источником электромагнитных волн с длинами, лежащими в широком диапазоне. Как известно, торможение электрона порождает сплошной спектр электромагнитных волн (так образуются рентгеновские лучи) с частотами от нуля до где максимальная энергия электрона. Для оценки порядка величины длины волны тормозного излучения плазмы можно положить Тогда окажется, что у холодной плазмы тормозное излучение будет видимым и инфракрасным, а у горячей плазмы — рентгеновским.

Важным источником излучения является рекомбинация протона (иона) с электроном. При этом, очевидно, излучается фотон с энергией, равной энергии связи частиц противоположных знаков.

Наряду с излучением, носящим одинаковый характер для разных веществ, находящихся в состоянии плазмы, плазма излучает характеристически линейчатые спектры (их происхождение описано в §§ 199 и 203), поскольку в состав плазмы входят определенные возбужденные атомы и ионы.