73. ПЛАЗМА

При очень низких темпеэатурах все вещества находятся в твердом состоянии. Нагревание вызывает переход вещества из твердого состояния в жидкое, а затем и в газообразное.

Рис. 177 (см. скан)

При достаточно больших температурах начинается ионизация газа за счет столкновений быстро движущихся атомов или молекул. Вещество переходит в новое состояние, называемое плазмой. Плазма — это частично или полностью ионизированный газ, в котором плотности положительных и отрицательных зарядов практически совпадают. Таким образом, плазма в целом является электрически нейтральной системой.

В зависимости от условий степень ионизации плазмы, т. е. отношение числа ионизированных атомов к их полному числу, может быть различной.

В полностью ионизированной плазме нейтральных атомов нет.

Наряду с нагреванием ионизация газа и образование плазмы могут быть вызваны разного рода излучениями или бомбардировкой атомов газа быстрыми заряженными частицами.

При этом получается так называемая низкотемпературная плазма.

Свойства плазмы. Плазма обладает рядом специфических свойств, что позволяет рассматривать ее как особое четвертое состояние вещества.

Из-за большой подвижности заряженные частицы плазмы легко перемещаются под действием электрических и магнитных полей. Поэтому любое нарушение электрической нейтральности отдельных областей Цлазмы, вызванное скоплением частиц одного знака заряда, быстро ликвидируется. Возникавшие Электрические поля перемещают заряженные частицы до тех пор, пока электрическая нейтральность не восстйнавлиьасй и Электрическое поле не становится равным нулю.

В отличие от нейтрального газа, между молекулами которого существуют короткодействующие силы, между заряженными

частицами плазмы действуют кулоновские силы, сравнительно медленно убывающие с расстоянием. Каждая частица взаимодействует сразу с большим количеством окружающих частиц. Благодаря этому, наряду с хаотическим тепловым движением, частицы плазмы могут участвовать в разнообразных упорядоченных (коллективных) движениях. В плазме легко возбуждаются разного рода колебания и волны.

Проводимость плазмы увеличивается по мере роста степени ионизации. При высокой температуре полностью ионизированная плазма по своей проводимости приближается к сверхпроводникам.

Плазма в космосе и вокруг Земли. В состоянии плазмы находится подавляющая (около 99%) часть вещества Вселен ной. Вследствие высокой температуры Солнце и другие звезды состоят в основном из полностью ионизированной плазмы

Из плазмы состоит и межзвездная среда, заполняющая пространство между звездами и галактиками. Плотность межзвездной среды очень мала, в среднем менее одного атома на Ионизация атомов межзвездной среды производится излучением звезд и космическими лучами — потоками быстрых частиц, пронизывающими пространство Вселенной по всем направлениям. В отличие от горячей плазмы звезд температура межзвездной плазмы очень мала.

Плазмой окружена наша планета. Верхний слой атмосферы на высоте 100 300 км представляет собой ионизированный газ — ионосферу. Ионизация воздуха верхних слоев атмосферы вызывается преимущественно излучением Солнца и потоком заряженных частиц, испускаемых Солнцем. Выше ионосферы простираются радиационные пояса Земли, открытые с помощью спутников Радиационные пояса также состоят из плазмы

Многими свойствами плазмы обладают свободные электроны в металлах. В отличие от обычной плазмы, в плазме твердых тел положительные ионы не могут перемещаться по всему телу.

Практические применения плазмы. Плазма возникает при всех видах разряда в газах: тлеющем, дуговом, искровом и т. д. Такую плазму называют газоразрядной.

В светящихся трубках для рекламных надписей и в лампах дневного света используют плазму положительного столба тлеющего разряда. В лампах дневного света происходит разряд в парах ртути. Стеклянную трубку покрывают специальным со ставом — люминофором который под действием излучения плазмы сам начинает светиться. Люминофор подбирают таким, чтобы его свечение было близко по составу к белому свету.

Газоразрядную плазму используют во многих приборах, например в газовых лазерах — квантовых источниках света. Лазеры — наиболее мощные источники света. Их излучение

обладает рядом замечательных свойств С ними вы познакомитесь в X классе.

Струя плазмы применяется в магнитогидродинамических генераторах (МГД), упомянутых на странице 173. Для космических кораблей перспективно применение маломощных плазменных двигателей.

Сравнительно недавно был создан новый прибор — плазмотрон. В плазмотроне создаются мощные струи плотной плазмы, широко применяемые в различных областях техники: для резки и сварки металлов, бурения скважин в твердых породах и т. д. (см. цветную вклейку 4). В плазменной струе ускоряются многие химические реакции и могут происходить такие реакции, которые в обычных условиях не происходят.

Наиболее значительные перспективы физики видят в применении высокотемпературной плазмы (с температурой в десятки миллионов градусов) для создания управляемых термоядерных реакций В настоящее время ведутся интенсивные исследования по осуществлению этих реакций, сопровождающихся выделением огромной энергии. Решение этой грандиозной задачи даст в руки человечества практически неисчерпаемый источник энергии.

1. В чем разница между диссоциацией электролитов и ионизацией газов?

2. При каких условиях несамостоятельный разряд в газах превращается в самостоятельный? 3. Что такое термоэлектронная эмиссия? 4. Перечислите основные типы самостоятельного разряда. 5. Что называют плазмой?