Plasma 4 tilstander av materie eller flytende krystaller. Sammendrag: Plasma er materiens fjerde tilstand. Plasma i halvledere

Retur av trollmannen Koehler Vladimir Romanovich

Plasma - den fjerde tilstanden av materie

La oss ta en metallkropp, si en kule, og, legge den i en varmebestandig digel, sette digelen i en elektrisk ovn. Det vil gå litt tid, og kulen vil smelte, bli til væske, og stoffet vil gå inn i den andre tilstanden.

Men vi skal skru opp varmen. Hvis ovnens evner tillater det, vil metallet til slutt koke og fordampe. Stoffet vil gå inn i sin tredje tilstand.

For ikke så lenge siden svarte selv de mest kunnskapsrike fysikerne på dette spørsmålet at ingenting spesielt ville skje. Gassen vil rett og slett varmes opp mer, det er alt. Molekylene vil få høy kinetisk energi og begynne å skynde seg enda raskere mellom karets vegger.

Det var ikke noe overraskende i dette svaret. Folk visste da ikke hvordan de skulle oppnå spesielt høye temperaturer og kunne ikke vite hva som ville skje med et stoff, for eksempel ved 6000 grader. I konvensjonelle brennstoffovner når den maksimale temperaturen bare 2000 grader, og i elektriske - 3000 grader.

Nå har situasjonen endret seg. Selv under industrielle forhold oppnås noen ganger temperaturer på rundt 12 000 grader. Og fysikere har overskredet grensene for de mest utrolige fantasiene når de "utvinner" høye temperaturer.

Ved Institutt for atomenergi utførte forsker M. S. Ioffe eksperimenter der det var mulig å oppnå en temperatur for deuterium på 60 millioner grader – tre ganger høyere enn i sentrum av solen (iht. moderne ideer, temperaturen i sentrum av solen er litt mindre enn 20 millioner grader). Akademiker Evgeniy Konstantinovich Zavoisky oppnådde enda mer spektakulære resultater: I sine eksperimenter klarte han og kollegene å varme opp elektronstrømmer til en temperatur på over 100 millioner grader.

Nå er det allerede kjent med sikkerhet: Over 6000 grader ser det ut til at gasser, selv de som er stabile, fordamper.

Hva skjer med dem?

Når atomer av et stoff kolliderer med hverandre i rasende hastigheter forårsaket av intens varme, slås elektroner ut av dem. Ved å miste noen elektroner, blir atomer til positive ioner, det vil si til "fragmenter" ladet med positiv elektrisitet. Elektroner er kjent for å være negativt ladet. Resultatet er en blanding av negative elektroner, positive ioner og nøytrale atomer som ikke har rukket å "fordampe". Siden den positive elektrisiteten i en slik blanding er lik den negative elektrisiteten, forblir blandingen som helhet nøytral. Men elektroner kolliderer med hverandre og med ioner og får den «fordampede gassen» til å lyse (noe som imidlertid ikke alltid skjer, men bare med et tilstrekkelig antall partikler; hvis sjeldneheten er høy, kan stoffet bli helt usynlig).

En sky av materie i denne spesielt eksiterte tilstanden kalles plasma. Den ble oppdaget i 1920 av den fremragende indiske astrofysikeren Meg Nad Saga.

Forskere ble ganske raskt overbevist om at plasma ikke lenger er en gass, men en kvalitativt helt annen, ny materietilstand.

Hver materietilstand har sine egne spesielle egenskaper som ikke ligner egenskapene til andre tilstander. Plasma har dem også.

Plasmas egenskaper skiller seg kraftig fra egenskapene til gass. Gass er for eksempel en elektrisk isolator. Plasma, selv om det generelt er nøytralt, som en gass, tvert imot, er en utmerket leder av elektrisk strøm. I motsetning til metaller, som leder strøm dårligere jo mer de varmes opp, øker den elektriske ledningsevnen til plasma med økende temperatur.

Teorien sier at ved svært høye temperaturer bør plasmaet praktisk talt ha egenskapen til superledning, det vil si dens elektrisk motstand skal være nær null. I tillegg er plasma en ideell varmeleder, det er et supertermisk ledende materiale.

Det er mye varme i plasma, men det er også noe som ikke finnes i noen kjølevæske - rekkefølge. Det sterke magnetfeltet som plasmaet produseres i, introduserer en ordre i bevegelsen, og en uvanlig: spiralformet eller på annen måte - gyrotropisk.

Det er mange grunner til den store interessen for plasma i disse dager. Den første er selvfølgelig at plasma, som det viser seg, er mye mer vanlig i naturen enn man skulle tro. Nesten hele universet består av plasma. Solen, varme stjerner, tåker og interstellar gass er laget av plasma.

Det viste seg at folk hadde jobbet med plasma lenge før det ble oppdaget.

Vann begynner å fordampe allerede før det når kokepunktet. Og plasma dannes ikke nødvendigvis ved en temperatur på 6 tusen grader eller over. Det oppstår for eksempel under påvirkning av sterk gassbestråling med røntgenstråler eller ultrafiolette stråler. Ved å plassere en gass i et kraftig elektrisk felt, kan den også bringes inn i en ioniseringstilstand og delvis omdannes til plasma.

Lyset brenner svakt. Og likevel er flammen, i det minste i liten grad, ionisert. Dette er ikke ekte plasma ennå, men allerede et snev av det. Men det blendende lyset fra en lysbue og den myke gløden fra et neonrør kommer direkte fra plasmaet. Nær ekte plasma er flammen til en sveisebrenner og dieselinjektor, flammen i sylinderen til en forbrenningsmotor.

En kortvarig plasmatilstand oppstår i pistolløpet ved avfyring. Generelt, med enhver eksplosjon av stor masse eksplosiv plasma dannes.

Plasmaet danner en kanal for elektriske gnister og lyn. De ioniserte lagene i jordens atmosfære består av plasma. Nordlys er ikke annet enn gløden av ionisert gass, det vil si også plasma.

Yuri Gagarin oppnådde sin bragd bokstavelig talt i omfavnelsen av plasma. Da romskipet Vostok, som tok av fra kosmodromstedet, gjennomboret de tette lagene av atmosfæren med et brøl, spydde dysene til rakettmotoren plasma.

Plasma er utbredt overalt, men kanskje tiltrekker det oppmerksomheten til forskere enda mer for potensialet for fremtidig teknologi.

Plasma er den mest lovende materietilstanden for å konvertere varme direkte til elektrisitet. Tilsynelatende, i maskinløse kraftverk i fremtiden, vil bare plasma være i bevegelse. Passerer mellom polene til superkraftige magneter, vil plasmastrømmer konvertere energien fra bevegelsen deres til energi elektrisk strøm.

Opprettelsen av romskip med plasmamotorer er ikke langt unna. Med slike motorer, som sender ut en jetplasmajet med hastigheter på titalls eller til og med hundretusenvis av kilometer i sekundet, kan du gå for å utforske de fjerneste planetene i solsystemet.

Våren 1965 gjennomførte sovjetiske forskere de første vellykkede testene av plasmamotorer under romforhold - om bord romskip"Zond-2".

Plasma har også store muligheter innen kontrollerte termonukleære reaksjoner. Akademiker L. N. Artsimovich mener til og med at dette er plasmaens viktigste oppgave. Han skrev:

"Plasmafysikk er ikke et av hovedområdene i vitenskapen, men likevel har den i løpet av det siste tiåret blitt utviklet svært intensivt, siden det er knyttet håp til å løse problemer av eksepsjonelt lovende betydning. Førsteplassen blant dem er okkupert av det velkjente problemet med kontrollert termonukleær fusjon, hvis løsning bør fullstendig eliminere trusselen om energisult på planeten vår.

Fra boken Medisinsk fysikk forfatter Podkolzina Vera Alexandrovna

26. Stasjonær tilstand Prinsippet for entropiproduksjon. Organismen som et åpent system. Orienteringen ble beskrevet ovenfor termodynamiske prosesser i et isolert system. derimot reelle prosesser og tilstander i natur og teknologi er ikke likevekt, og mange

Fra boken Return of the Sorcerer forfatter Keler Vladimir Romanovich

Solid er materiens første tilstand Den antikke greske filosofen Empedocles (490–430 f.Kr.) mente at verden var bygget av fire elementer, eller elementer: jord, vann, luft og ild. Empedokles lære ble delt av mange gamle forskere, inkludert Aristoteles. Så penetrerte den

Fra boken Relativitetsteori for millioner av Gardner Martin

Væske - den andre tilstanden til stoffet Når man husker kreftene som virker mellom molekylene eller atomene til faste stoffer, er det ikke vanskelig å gjette hvorfor disse kroppene smelter. For når temperaturen øker, blir vibrasjonene til hvert enkelt atom rundt sin normale posisjon

Fra bok Atomenergi til militære formål forfatter Smith Henry Dewolf

Gassformig - materiens tredje tilstand Har du noen gang lurt på hvilken materietilstand som er viktigst for oss? Nesten alle som jeg stilte et slikt spørsmål til, ba dem svare uten å tenke, svare med en gang, tok feil. Så først, i neste øyeblikk, innså de:

Fra boken Hyperspace av Kaku Michio

10. Eksplosjon eller stabil tilstand Se for deg et bilde av den gradvise utvidelsen av rommet, og la dette bildet inn i motsatt retning som de gjør i filmene. Det er klart at i «fortidens skjulte mørke og tidens avgrunn», som Shakespeare en gang sa, må det ha vært slike

Fra boken The King's New Mind [Om datamaskiner, tenkning og fysikkens lover] av Penrose Roger

NÅværende TILSTAND 13.1. Som et resultat av arbeidet til Manhattan District-organisasjoner i Washington og Tennessee, grupper av forskere i Berkeley, Chicago, Columbia, Los Alamos og andre steder, industrigrupper i Clinton, Hanford og mange andre steder, finner vi i slutten av juni 1945

Fra boken Interstellar: the science behind the scenes forfatter Thorne Kip Stephen

3. Mannen som "så" den fjerde dimensjonen I 1910 hadde den fjerde dimensjonen blitt et nesten dagligdags uttrykk... Modifisert fra den ideelle platoniske eller kantianske virkeligheten - eller til og med himmelen! - dette svaret på alle problemene forvirrende moderne vitenskap, -

Fra forfatterens bok

Den fjerde dimensjonen som kunst Perioden fra 1890 til 1910 kan betraktes som gullalderen til den fjerde dimensjonen. Det var på denne tiden at ideene fra Gauss og Riemann spredte seg i litterære kretser, trengte inn i allmennhetens bevissthet og påvirket

Fra forfatterens bok

Bolsjevikene og den fjerde dimensjonen i det tsaristiske Russland Den fjerde dimensjonen ble berømt takket være verkene til mystikeren Peter Ouspensky, som introduserte russiske intellektuelle til hemmelighetene til denne dimensjonen. Påvirkningen av dette emnet ble følt så tydelig at Fedor

Fra forfatterens bok

Bigamister og den fjerde dimensjonen Etter hvert krysset ideen om den fjerde dimensjonen Atlanterhavet og kom til Amerika. Budbringeren var en fargerik figur - den engelske matematikeren Charles Howard Hinton. Hvis Albert Einstein boret over skrivebordet sitt i 1905

Fra forfatterens bok

Den unyttige fjerde dimensjonen I ettertid ble Riemanns berømte foredrag popularisert av mystikere, filosofer og kunstnere og gjort tilgjengelig for et bredere publikum, men gjorde lite for å utdype vår forståelse av naturen. Med tanke på

Fra forfatterens bok

Den fjerde dimensjonen og alumnimøter Selvfølgelig har Einsteins teori blitt presentert mer enn en gang i populære utstillinger, hvor forfatterne la vekt på ulike aspekter ved teorien. Men bare noen få av dem fanget essensen spesiell teori relativitet: tid -

Fra forfatterens bok

Fra forfatterens bok

21. Den fjerde og femte dimensjonen Tid som den fjerde dimensjonen Rommet i vårt univers har tre koordinatakser: "topp - bunn", "øst - vest" og "nord - sør". Men for å spise lunsj med en venn, må du ikke bare avtale møteplass,

Fra forfatterens bok

Tid som den fjerde dimensjonen Universets rom har tre koordinatakser: «topp – bunn», «øst – vest» og «nord – sør». Men for å spise lunsj med en venn, må du ikke bare avtale møtestedet, men også tidspunktet. I denne forstand er tid

Fra forfatterens bok

Kapittel 21. Den fjerde og femte dimensjonen For mer informasjon om foreningen av rom og tid, se [Thorne 2009]. For John Schwartz og Michael Greens "superstrengrevolusjon" og hvordan fysikere omfavnet det flerdimensjonale strålekonseptet, se The Elegant Universe. Superstrenger, skjult

Det samme stoffet i naturen har evnen til å radikalt variere sine egenskaper avhengig av temperatur og trykk. Et utmerket eksempel på dette er vann, som finnes i formen hard is, væsker og damp. Dette er tre aggregerte tilstander av et gitt stoff, som har kjemisk formel H 2 O. Andre stoffer i naturlige forhold i stand til å endre sine egenskaper på lignende måte. Men foruten de som er oppført, er det andre ting i naturen aggregeringstilstand- plasma. Den er ganske sjelden under jordiske forhold og utstyrt med spesielle egenskaper.

Molekylær struktur

Hva er de 4 materietilstandene som materie befinner seg i avhengig av? Fra samspillet mellom elementene i atomet og molekylene selv, utstyrt med egenskapene til gjensidig frastøtning og tiltrekning. Disse kreftene er selvkompenserende i fast tilstand, hvor atomene er ordnet geometrisk riktig, og danner et krystallgitter. Samtidig er det materielle objektet i stand til å opprettholde begge de ovennevnte kvalitative egenskapene: volum og form.

Men det er verdt det kinetisk energi molekyler vil øke, bevege seg kaotisk, de ødelegger den etablerte orden og blir til væsker. De har fluiditet og er preget av fravær av geometriske parametere. Men samtidig beholder dette stoffet sin evne til ikke å endre det totale volumet. I gassform er gjensidig tiltrekning mellom molekyler helt fraværende, så gassen har ingen form og har mulighet for ubegrenset utvidelse. Men konsentrasjonen av stoffet synker betydelig. Molekylene i seg selv endres ikke under normale forhold. Dette er hovedtrekket i de første 3 av de 4 materietilstandene.

Transformasjon av stater

Prosessen med å transformere et fast stoff til andre former kan utføres ved gradvis å øke temperaturen og variere trykket. I dette tilfellet vil overganger skje brått: avstanden mellom molekylene vil øke merkbart, intermolekylære bindinger vil bli ødelagt med en endring i tetthet, entropi og mengden fri energi. Det er også mulig at et fast stoff vil omdannes direkte til en gassform ved å omgå mellomtrinn. Det kalles sublimering. En lignende prosess er fullt mulig under normale jordiske forhold.

Men når temperatur- og trykkindikatorer når kritiske nivåer, øker den indre energien til stoffet så mye at elektroner, som beveger seg i rasende hastighet, forlater sine intraatomære baner. I dette tilfellet dannes positive og negative partikler, men deres tetthet i den resulterende strukturen forblir nesten den samme. Dermed oppstår plasma - en aggregeringstilstand av et stoff som faktisk er en gass, helt eller delvis ionisert, hvis elementer er utstyrt med evnen til å samhandle med hverandre over lange avstander.

Plasma med høy temperatur i rommet

Plasma er som regel et nøytralt stoff, selv om det består av ladede partikler, fordi de positive og negative elementene i det, som er omtrent like i mengde, kompenserer hverandre. Denne aggregeringstilstanden under normale terrestriske forhold er mindre vanlig enn andre nevnt tidligere. Men til tross for dette består de fleste kosmiske legemer av naturlig plasma.

Et eksempel på dette er solen og andre tallrike stjerner i universet. Temperaturene der er utrolig høye. Tross alt, på overflaten av hoveddelen av planetsystemet vårt når de 5500 °C. Dette er mer enn femti ganger høyere enn parametrene som kreves for at vann skal koke. I midten av den ildpustende ballen er temperaturen 15.000.000°C. Det er ikke overraskende at gasser (hovedsakelig hydrogen) ioniseres der og når plasmaets aggregerte tilstand.

Lavtemperaturplasma i naturen

Det interstellare mediet som fyller det galaktiske rommet består også av plasma. Men det skiller seg fra sin høytemperaturvariasjon beskrevet tidligere. Et slikt stoff består av ionisert materiale som er et resultat av stråling som sendes ut av stjerner. Dette er lavtemperaturplasma. På samme måte skaper solstrålene, som når jordens grenser, ionosfæren og strålingsbeltet som ligger over den, bestående av plasma. Forskjellene er kun i sammensetningen av stoffet. Selv om alle elementene presentert i det periodiske systemet kan være i lignende tilstand.

Plasma i laboratoriet og dets anvendelse

I henhold til lovene kan det enkelt oppnås under de forholdene som er kjent for oss. Ved utførelse av laboratorieeksperimenter er det tilstrekkelig med en kondensator, diode og motstand koblet i serie. En slik krets er koblet til en strømkilde i et sekund. Og hvis du berører en metalloverflate med ledninger, blir partiklene av den selv, så vel som damp- og luftmolekylene som ligger i nærheten, ionisert og befinner seg i den samlede tilstanden til plasma. Lignende egenskaper til materie brukes til å lage xenon- og neonskjermer og sveisemaskiner.

Plasma og naturfenomener

Under naturlige forhold kan plasma observeres i lys av nordlyset og under et tordenvær i form av kulelyn. En forklaring på noen naturfenomener som tidligere ble tillagt mystiske egenskaper er nå gitt av moderne fysikk. Plasma, som dannes og lyser i endene av høye og skarpe gjenstander (master, tårn, enorme trær) under en spesiell tilstand av atmosfæren, ble tatt for århundrer siden av sjømenn som et budskap om lykke. Det er derfor dette fenomenet ble kalt "St. Elmo's Fire."

Ser koronautslipp i form av lysende dusker eller tuer under et tordenvær, tok reisende dette som et godt varsel, og innså at de hadde unngått fare. Det er ikke overraskende, fordi gjenstander som stiger over vannet, egnet for "tegn på en helgen", kan indikere at et skip nærmer seg kysten eller profeterer et møte med andre skip.

Ikke-likevektsplasma

Eksemplene gitt ovenfor viser veltalende at det ikke er nødvendig å varme et stoff til fantastiske temperaturer for å oppnå plasmatilstanden. For ionisering er det nok å bruke makt elektromagnetisk felt. Samtidig får ikke de tunge bestanddelene av materie (ioner) betydelig energi, fordi temperaturen under denne prosessen godt ikke kan overstige flere titalls grader Celsius. Under slike forhold beveger lette elektroner seg fra hovedatomet mye raskere enn mer inerte partikler.

Slikt kaldt plasma kalles ikke-likevekt. I tillegg til plasma-TVer og neon lamper, den brukes også i vann- og matrensing, og brukes til desinfeksjon for medisinske formål. I tillegg kan kaldt plasma bidra til å akselerere kjemiske reaksjoner.

Prinsipper for bruk

Et utmerket eksempel på hvordan kunstig skapt plasma brukes til fordel for menneskeheten er produksjonen av plasmamonitorer. Cellene til en slik skjerm er utstyrt med evnen til å avgi lys. Panelet er en slags "smørbrød" av glassplater plassert nær hverandre. Mellom dem er det plassert bokser med en blanding av inerte gasser. De kan være neon, xenon, argon. Og blå, grønne og røde fosfor påføres den indre overflaten av cellene.

Ledende elektroder kobles utenfor cellene, mellom hvilke det dannes en spenning. Som et resultat oppstår et elektrisk felt, og som et resultat ioniseres gassmolekyler. Det resulterende plasmaet avgir ultrafiolette stråler, som absorberes av fosfor. På grunn av dette oppstår fenomenet fluorescens gjennom fotonene som sendes ut. På grunn av kompleks forbindelse stråler i rommet vises et lyst bilde av et bredt utvalg av nyanser.

Plasmaskrekk

Denne formen for materie får et dødelig utseende under en atomeksplosjon. Plasma i store volumer dannes under denne ukontrollerte prosessen, og frigjør en enorm mengde forskjellige typer energi. som følge av aktiveringen av detonatoren, bryter den ut og varmer opp luften rundt til gigantiske temperaturer i løpet av de første sekundene. På dette tidspunktet dukker det opp en dødelig ildkule som vokser i en imponerende hastighet. Det synlige området av den lyse sfæren økes av ionisert luft. Blodpropper, drag og plasmastråler fra eksplosjonen danner en sjokkbølge.

Til å begynne med absorberer den lysende ballen, som beveger seg, øyeblikkelig alt på veien. Ikke bare menneskelige bein og vev blir til støv, men også faste bergarter, og til og med de mest holdbare kunstige strukturer og gjenstander blir ødelagt. Pansrede dører til trygge tilfluktsrom redder deg ikke stridsvogner og annet militært utstyr knuses.

Plasma i sine egenskaper ligner en gass ved at den ikke har en bestemt form og volum, som et resultat av at den er i stand til å utvide seg i det uendelige. Av denne grunn uttrykker mange fysikere den oppfatning at det ikke bør betraktes som en egen aggregeringstilstand. Imidlertid er dens betydelige forskjeller fra bare varm gass åpenbare. Disse inkluderer: evnen til å lede elektriske strømmer og eksponering for magnetiske felt, ustabilitet og evnen komposittpartikler har forskjellige hastigheter og temperaturer, samtidig som de samhandler med hverandre.

I tillegg til de tre hovedtilstandene av materie: væske, fast og gass, er det også en fjerde tilstand av materie. Denne tilstanden kalles plasma. Plasma- delvis eller fullstendig ionisert gass. Plasma kan produseres ved å varme opp gassen ytterligere. Ved tilstrekkelig høye temperaturer begynner gass-ionisering. Og det blir til en plasmatilstand.

Graden av plasmaionisering kan være forskjellig, avhengig av hvor mange atomer og molekyler som er ionisert. I tillegg til å varme opp gassen, kan plasma oppnås på andre måter. For eksempel ved hjelp av stråling eller bombardement av gass med hurtigladede partikler. I slike tilfeller snakker vi om lavtemperaturplasma.

Plasmaegenskaper

Plasma ble separert i en egen fjerde tilstand av materie, siden den har spesifikke egenskaper. Plasma som helhet er et elektrisk nøytralt system. Ethvert brudd på nøytralitet elimineres ved akkumulering av partikler av samme tegn.

Dette skjer fordi ladede plasmapartikler har svært høy mobilitet og lett påvirkes av elektriske og magnetiske felt. Under påvirkning av elektriske felt beveger ladede partikler seg mot området der nøytraliteten brytes til det elektriske feltet blir null, det vil si at nøytraliteten gjenopprettes.

Coulomb-attraksjonskrefter virker mellom plasmamolekyler. Dessuten samhandler hver partikkel med mange andre partikler som omgir den samtidig. Som et resultat, plasma partikler, i tillegg til kaotisk termisk bevegelse, kan delta i ulike ordnede bevegelser. Derfor er det lett å eksitere ulike svingninger og bølger i plasma.
Ettersom graden av plasmaionisering øker, øker ledningsevnen. Når nok høye temperaturer, kan plasma betraktes som en superleder.

Plasma i naturen

En stor del av saken i universet er i plasmatilstanden. For eksempel består solen og andre stjerner, på grunn av deres høye temperatur, hovedsakelig av fullt ionisert plasma. Det interstellare mediet består også av plasma. Her er ioniseringen av atomer forårsaket av strålingen fra selve stjernene.

Interstellar plasma er et eksempel på lavtemperaturplasma. Planeten vår er også omgitt av plasma. For eksempel ionosfæren. I ionosfæren er gass-ionisering forårsaket av stråling fra solen. Over ionosfæren er jordens strålingsbelter, som også består av plasma.

I i dette tilfellet plasma har også lav temperatur. De fleste egenskapene til plasma er også besatt av frie elektroner i metaller. Men deres begrensning er det faktum at de ikke kan bevege seg fritt gjennom hele volumet av kroppen.

Aggregert tilstand er en tilstand av materie preget av visse kvalitative egenskaper: evnen eller manglende evne til å opprettholde volum og form, tilstedeværelse eller fravær av lang- og kortdistanseorden, og andre. En endring i aggregeringstilstanden kan være ledsaget av en brå endring i fri energi, entropi, tetthet og andre grunnleggende fysiske egenskaper.

Det er kjent at ethvert stoff bare kan eksistere i en av tre tilstander: fast, flytende eller gassformig, et klassisk eksempel på dette er vann, som kan være i form av is, væske og damp. Men hvis vi tar hele universet som en helhet, er det svært få stoffer som er i disse ansett som udiskutable og utbredte tilstander. Det er usannsynlig at de overskrider det som anses som ubetydelige spor i kjemi. All annen materie i universet er i den såkalte plasmatilstanden.

Ordet "plasma" (fra det greske "plasma" - "dannet") på midten av 1800-tallet

V. begynte å bli kalt den fargeløse delen av blodet (uten røde og hvite kropper) og

væske som fyller levende celler. I 1929 amerikanske fysikere Irving Langmuir (1881-1957) og Levi Tonko (1897-1971) kalte ionisert gass i et gassutladningsrør plasma.

Den engelske fysikeren William Crookes (1832-1919), som studerte elektrisk

utslipp i rør med foreldet luft, skrev: «Fenomener er evakuert

rør åpner opp en ny verden for fysisk vitenskap, der materie kan eksistere i en fjerde tilstand.»

Avhengig av temperaturen endrer ethvert stoff sin

stat. Dermed er vann ved negative (Celsius) temperaturer i fast tilstand, i området fra 0 til 100 °C - i flytende tilstand, over 100 °C - i gassform Hvis temperaturen fortsetter å stige, atomer og molekyler begynner å miste elektronene sine - de blir ionisert og gass blir til plasma Ved temperaturer over 1.000.000 ° C, er plasma fullstendig ionisert - det består kun av elektroner og positive ioner er den vanligste materietilstanden i naturen omtrent 99 % av massen til universet, flertallet av stjernene, fullstendig ionisert plasma. Den ytre delen av jordens atmosfære (ionosfæren) er også plasma.

Enda høyere er strålingsbeltene som inneholder plasma.

Auroras, lyn, inkludert kulelyn, er alle forskjellige typer plasma som kan observeres under naturlige forhold på jorden. Og bare en ubetydelig del av universet består av fast stoff - planeter, asteroider og støvtåker.

I fysikk forstås plasma som en gass som består av elektrisk

ladede og nøytrale partikler, hvor den totale elektriske ladningen er null, dvs. betingelsen for kvasinutralitet er oppfylt (derfor er for eksempel en elektronstråle som flyr i et vakuum ikke plasma: den har en negativ ladning).

1.1. Mest typiske former for plasma

Mest typiske former for plasma

Kunstig skapt plasma

Plasmapanel (TV, skjerm)

Stoff inne i fluorescerende (inkludert kompakte) og neonlamper

Plasma rakettmotorer

Gassutslipp korona ozon generator

Kontrollert fusjonsforskning

Elektrisk lysbue inn bue lampe og i buesveising

Plasmalampe (se bilde)

Bueutladning fra en Tesla-transformator

Eksponering av materie for laserstråling

Glødende sfære av en atomeksplosjon

Jordens naturlige plasma

St. Elmo's Fire

Ionosfære

Flammer (lavtemperaturplasma)

Rom Og astrofysiske plasma

Solen og andre stjerner (de som eksisterer på grunn av termonukleære reaksjoner)

solfylt vind

Det ytre rom (rom mellom planeter, stjerner og galakser)

Interstellare tåker

Plasma er mest brukt i lysteknologi - i gassutladningslamper som lyser opp gater og lysrør som brukes innendørs. Og i tillegg, i et bredt utvalg av gassutladningsenheter: elektriske strømlikerettere, spenningsstabilisatorer, plasmaforsterkere og mikrobølgegeneratorer, målere kosmiske partikler. Alle såkalte gasslasere (helium-neon, krypton, karbondioksid, etc.) er faktisk plasma: gassblandinger de ioniseres av en elektrisk utladning. Egenskaper som er karakteristiske for plasma, besittes av ledningselektroner i metallet (ioner stivt festet i krystallgitteret nøytraliserer ladningene deres), et sett med frie elektroner og mobile "hull" (ledige stillinger) i halvledere. Derfor kalles slike systemer plasma faste stoffer. Gassplasma Det er vanlig å dele det inn i lav temperatur - opptil 100 tusen. grader og høy temperatur - opptil 100 millioner grader. Det er generatorer av lavtemperaturplasma - plasmatroner, som bruker en elektrisk lysbue. Ved hjelp av en plasmalykt kan du varme opp nesten hvilken som helst gass til 7000-10000 grader på hundredeler og tusendeler av et sekund. Med opprettelsen av plasmafakkelen, oppsto nytt område vitenskap - plasmakjemi: mange kjemiske reaksjoner akselereres eller kjøres kun i en plasmastråle Plasmatroner brukes både i gruveindustrien og til skjæring av metaller. Plasmamotorer og magnetohydrodynamiske kraftverk er også laget. Ulike ordninger for plasmaakselerasjon av ladede partikler er under utvikling. Det sentrale problemet med plasmafysikk er problemet med kontrollert termonukleær fusjon. Termonukleære reaksjoner er syntesen av tyngre kjerner fra kjernene til lette elementer (primært hydrogenisotoper - deuterium D og tritium T), som skjer ved svært høye temperaturer (> 108 K og over). Under naturlige forhold oppstår termonukleære reaksjoner i solen: hydrogenkjerner kombineres med hverandre for å danne heliumkjerner, og en betydelig mengde energi frigjøres. Den kunstige reaksjonen av termonukleær fusjon ble utført i en hydrogenbombe.

Plasma er fortsatt et lite studert objekt, ikke bare i fysikk, men også i kjemi (plasmakjemi), astronomi og mange andre vitenskaper. Derfor har de viktigste tekniske prinsippene for plasmafysikk ennå ikke forlatt stadium av laboratorieutvikling. For tiden studeres plasma aktivt pga er av stor betydning for vitenskap og teknologi. Dette emnet er også interessant fordi plasma er den fjerde tilstanden av materie, eksistensen som folk ikke mistenkte før på 1900-tallet.

1. Wurzel F.B., Polak L.S. Plasmochemistry, M, Znanie, 1985.

2. Oraevsky N.V. Plasma på jorden og i verdensrommet, K, Naukova Dumka, 1980.

I de tre første tilstandene - fast, flytende og gassformig - er elektriske og magnetiske krefter dypt skjult i materiens dyp. De brukes utelukkende til å binde kjerner og elektroner inn i, atomer inn i og inn i krystaller. Stoffet i disse tilstandene er generelt elektrisk nøytralt. En annen ting er plasma. Elektriske og magnetiske krefter kommer i forgrunnen her og bestemmer alle dens grunnleggende egenskaper. Plasma kombinerer egenskapene til tre tilstander: fast (), flytende (elektrolytt) og gassformig. Fra metallet tar det høy elektrisk ledningsevne, fra elektrolytten - ionisk ledningsevne, fra gassen - høy mobilitet av partikler. Og alle disse egenskapene er så komplekst sammenflettet at plasma viser seg å være svært vanskelig å studere.

Og likevel klarer forskere å se inn i den blendende glødende gasskyen ved hjelp av subtile fysiske instrumenter. De er interessert i den kvantitative og kvalitative sammensetningen av plasma, samspillet mellom delene og hverandre.

Du kan ikke berøre det varme plasmaet med hendene. Det merkes ved hjelp av svært følsomme "fingre" - elektroder satt inn i plasmaet. Disse elektrodene kalles prober. Ved å måle strømmen som strømmer til sonden ved forskjellige spenninger, kan du finne ut graden av konsentrasjon av elektroner og ioner, deres temperatur og en rekke andre egenskaper ved plasmaet (Forresten, det er interessant at selv A4-papir, med visse manipulasjoner med det, kan også bli til plasma)

Sammensetningen av plasma bestemmes ved å ta prøver av plasmasubstansen. Spesielle elektroder trekker ut små porsjoner av ioner, som deretter sorteres etter masse ved hjelp av en genial fysisk enhet - et massespektrometer. Denne analysen gjør det også mulig å finne ut fortegn og grad av ionisering, det vil si negativt eller positivt, enkeltvis eller gjentatte ganger ioniserte atomer.

Plasma kan også kjennes ved hjelp av radiobølger. I motsetning til vanlig gass reflekterer plasma dem sterkt, noen ganger sterkere enn metaller. Dette skyldes tilstedeværelsen av frie elektriske ladninger i plasmaet. Inntil nylig var slik radiosensing den eneste kilden til informasjon om ionosfæren - et fantastisk plasmaspeil som naturen plasserte høyt over jorden. I dag studeres også ionosfæren ved hjelp av kunstige satellitter og raketter i stor høyde som tar prøver av ionosfærisk materiale og analyserer det «på stedet».

Plasma er en veldig ustabil materietilstand. Sikre koordinert bevegelse av alle sine komponenter- en veldig vanskelig sak. Det ser ofte ut til at dette er oppnådd, plasmaet er pasifisert, men plutselig, av noen ikke alltid kjente årsaker, dannes det kondensasjoner og sjeldnere i det, sterke vibrasjoner oppstår, og dets rolige oppførsel blir kraftig forstyrret.

Noen ganger kommer "spillet" av elektriske og magnetiske krefter i selve plasma til hjelp for forskere. Disse kreftene kan danne kompakte og korrekt form, kalt plasmoider. Formen på plasmoider kan være svært variert. Det er ringer, og rør, og doble ringer, og vridd snorer. Plasmoider er ganske stabile. For eksempel, hvis du "skyter" to plasmoider mot hverandre, vil de ved kollisjon fly bort fra hverandre, som biljardballer.

Studiet av plasmoider lar oss bedre forstå prosessene som skjer med plasma i universets gigantiske skala. Én type plasmoid - en ledning - spiller en svært viktig rolle i forskernes forsøk på å lage en kontrollert. Plasmaspisere vil tilsynelatende også bli brukt i plasmakjemi og metallurgi.

PÅ JORDEN OG I ROMMET

På jorden er plasma en ganske sjelden materietilstand. Men allerede i lave høyder begynner plasmatilstanden å dominere. Kraftig ultrafiolett, korpuskulær og røntgenstråling ioniserer luften i de øvre lagene av atmosfæren og forårsaker dannelse av plasma-"skyer" i ionosfæren. De øvre lagene i atmosfæren er jordens beskyttende rustning, og beskytter alle levende ting mot de destruktive effektene solstråling. Ionosfæren er et utmerket speil for radiobølger (med unntak av ultrakorte), som tillater jordbasert radiokommunikasjon over lange avstander.

De øvre lagene i ionosfæren forsvinner ikke om natten: plasmaet i dem er for sjeldne til at ionene og elektronene som dukket opp i løpet av dagen, kan gjenforenes. Jo lenger fra jorden, jo færre nøytrale atomer er det i atmosfæren, og i en avstand på halvannet hundre millioner kilometer er det den kolossale plasmaklumpen nærmest oss -.

Fontener av plasma flyr konstant ut av det - noen ganger til en høyde på millioner av kilometer - de såkalte prominensene. Virvler av litt mindre varmt plasma – solflekker – beveger seg over overflaten. Temperaturen på overflaten av solen er omtrent 5500°, solflekkene er 1000° lavere. På en dybde på 70 tusen kilometer er det allerede 400 000 °, og enda lenger når plasmatemperaturen mer enn 10 millioner grader.

Under disse forholdene er kjernene til solmaterieatomer fullstendig eksponert. Her, under gigantiske press, foregår det konstant termonukleære reaksjoner av kjerner som smelter sammen og transformerer dem til kjerner. Energien som frigjøres i dette tilfellet, fyller på det som solen så sjenerøst stråler ut i rommet, "varmer" og lyser opp hele planetsystemet.

Stjerner i universet er på forskjellige stadier av utvikling. Noen dør, blir sakte til kald, ikke-lysende gass, andre eksploderer og kaster enorme skyer av plasma ut i verdensrommet, som etter millioner og milliarder av år når andre i form av kosmiske stråler stjerneverdener. Det er områder hvor gravitasjonskrefter kondenserer gasskyer, trykk og temperatur øker i dem inntil det skapes gunstige forhold for opptreden av plasma og initiering av termonukleære reaksjoner – og så blusser nye stjerner opp. Plasma i naturen er i en kontinuerlig syklus.

NÅTID OG FREMTID FOR PLASMA

Forskere er på nippet til å mestre plasma. Ved menneskehetens begynnelse var den største prestasjonen evnen til å skape og opprettholde ild. Og i dag trengte jeg å skape og spare på lang tid et annet, mye mer "høyt organisert" plasma.

Vi har allerede snakket om bruken av plasma i husholdningen: voltaisk lysbue, fluorescerende lamper, gastroner og tyratroner. Men et relativt kult plasma "fungerer" her. I en voltaisk bue, for eksempel, er ionetemperaturen omtrent fire tusen grader. Men nå dukker det opp supervarmebestandige legeringer som tåler temperaturer opp til 10-15 tusen grader. For å behandle dem trenger du plasma med høyere ionetemperatur. Bruken lover mye for den kjemiske industrien, siden mange reaksjoner går raskere jo høyere temperaturen er.

Til hvilken temperatur har du klart å varme opp plasmaet så langt? Opptil titalls millioner grader. Og dette er ikke grensen. Forskere er allerede på grensen til kontrollert termonukleær reaksjon syntese, hvor store mengder energi frigjøres. Se for deg en kunstig sol. Og ikke bare én, men flere. Tross alt vil de endre klimaet på planeten vår og vil for alltid fjerne menneskehetens bekymring for drivstoff.

Her er applikasjonene som venter på plasma. I mellomtiden pågår forskning. Store team av forskere jobber hardt for å bringe nærmere dagen da den fjerde tilstanden av materie vil bli like vanlig for oss som de tre andre.