Вещество в состоянии плазмы

Допустим  для простоты, что в ионизированном газе присутствуют кроме ионов только однозарядные ионы. Квазинейтральность означает, что n e очень мало отличается от n i . Как отразиться на поведении отдельных частиц заметное отклонение n e от n i ? Здесь сразу же выделяются два крайних случая. Если число заряженных частиц в объёме невелико, то создаваемые ими электрические поля слишком слабы для того, чтобы повлиять на их движение, даже если все поля складываются. В этом случае отдельные электроны и ионы в своём поведении никак не связаны друг с другом и каждая частица движется так, как будто все другие отсутствуют. Следовательно условие квазинейтральности здесь не обязательно выполняется. Противоположный случай ионизированному газу с высокой концентрацией заряженных частиц, занимающему большой объём. В этом случае избыточные заряды, возникающие при сильном нарушении равенства между n e и n i , создают электрические поля, достаточные для выравнивания потоков и восстановления квазинейтральности.

В конечном счёте всё зависит от соотношения  между потенциальной энергией отдельного иона или электрона в электрическом  поле, возникающем при нарушении  квазинейтральности, и величиной  средней кинетической энергии частиц, связанной с их тепловым движением.

До сих  пор речь шла о газовой плазме. Однако плазменные явления возникают  часто в объектах, казалось бы, далёких  от газов.

Остановимся, например, на металлах или полупроводниках. По современным представлениям их структура такова : есть решётка, состоящая из упорядоченно расположенных частиц – ионов или нейтральных частиц, и есть газ хаотически перемещающихся носителей электричества, называемых электронами (заряд отрицательный) и дырками (заряд положительный). Электроны и дырки в твёрдых телах не являются частицами в полном смысле этого слова : в свободном состоянии именно таких частиц (т.е. с соответствующими зарядом и массой) нет. Тем не менее уравнения, описывающие их движение, подобны уравнениям, описывающим движения обычных частиц – с той разницей, что роль массы здесь играют некоторые величины, зависящие от структуры вещества. Эти величины обычно именуют эффективными массами электронов и дырок. Поэтому электроны и дырки в твёрдых телах именуют квазичастицами (лат. quasi – почти). Поскольку поведение заряженных квазичастиц аналогично поведению электронов и ионов, то и свойства газа электронов и дырок сходны со свойствами газовой плазмы. Отсюда и название такой системы – твёрдотельная плазма.  

Движение частиц плазмы.

Хотя  мы можем рассматривать плазму как  некоторую частную форму газовой  смеси (в простейшем случае как смесь  двух компонент : электронного и ионного  газа), однако по целому ряду основных физических свойств она отличается от обычного газа, содержащего лишь нейтральные частицы. Это различие проявляется прежде всего в поведении плазмы под действием электрических и магнитных полей. В противоположность обычному нейтральному газу, на который электрические и магнитные поля не оказывают заметного воздействия, плазма под действием таких полей может очень сильно изменять свои свойства. Под действием электрического поля (даже очень слабого) в плазме появляется электрический ток. В магнитном поле плазма ведёт себя, как очень своеобразное диамагнитное вещество. Плазма может также интенсивно взаимодействовать с электромагнитными волнами. В частности, это находит выражение в том, что радиоволны могут отражаться от плазмы, как от зеркала.

Попытаемся  сначала нарисовать самую общую  картину движения заряженной частицы в плазме. Путь каждого иона или электрона можно сначала очень грубо представить себе состоящим из отрезков, на протяжении которых частица движется свободно, не испытывая взаимодействия с соседями. Эти участки свободного движения частиц прерываются кратковременными столкновениями, в результате которых направление движения меняется. В промежутках между двумя последовательными столкновениями частица движется под действием того общего электрического или магнитного поля, которое создано в плазме за счёт внешних источников. Это очень упрощённая картина поведения частицы, и она нуждается в серьёзных поправках, учитывающих основные особенности плазмы, которые проявляются прежде всего в характере её собственного электрического поля, существующего независимо от внешних источников. Каждая заряженная частица создаёт вокруг себя электрическое поле с радиально расходящимися от неё силовыми линиями. Поля от отдельных с зарядами разных знаков, складываясь между собой, в среднем компенсируют друг друга. Однако это не означает, что в каждый данный момент времени электрическое поле в какой-либо выбранной нами точке в точности равно нулю. Поле в любой точке плазмы в действительности очень быстро изменяется и по величине, и по направлению, и эти хаотические колебания дают нуль, только если рассчитывать среднюю величину напряжённости поля за достаточно длинный интервал времени.

Напряжённость собственного электрического поля плазмы испытывает сильные хаотические  колебания как во времени, так  и в пространстве, быстро изменяясь на очень малых расстояниях.

Заряженная  частица, находящаяся в электрическом  поле, движется по законам, напоминающим обычные законы движения тел в  поле тяжести.

Обратимся к рисунку, на котором показаны траектории заряженных частиц в электрическом  поле, направленном по вертикальной оси. Стрелки изображают скорости движения частиц в некоторый момент времени. Сила, действующая на заряженную частицу, равна qE , где q – заряд и E – напряжённость поля. Для однозарядных частиц q = ± e , где e – элементарный электрический заряд, а для многозарядных ионов q представляет собой небольшое целое, кратное e ( e= к ). Под действием этой силы однозарядный положительный ион с массой m i приобретает ускорение , которое направленно вдоль вертикальной оси вверх. Ускорение электрона направлено вниз и численно равно , где m e – масса электрона. Электрон гораздо легче иона, и поэтому ускорение, которое получает электрон, во много раз больше, чем ускорение иона. Траектория заряженной частицы в однородном электрическом поле всегда составляет собой пораболу. Форма этой пораболы зависит от свойств частицы, начальных условий движения и величины E . Пусть, например, электрическое поле направленно по оси y , а начальная скорость v 0 – вдоль оси x (траектория I на рисунке). В этом случае движение частицы по оси x будет равномерным, а по оси y – равноускоренным.  

Применение  плазмы в науке  и технике.

Электрическая дуга – наиболее подходящая среда  для таких реакций, которые не могут протекать в обычных  условиях по термодинамическим причинам. Можно зажечь плазму в кислороде и использовать высокую реакционную способность получающегося при этом озона. В азотной плазме можно получить такие экзотические соединения, как тетрафторид азота N 2 F 4 или нитрид титана TiN . Водородная плазма проявляет восстанавливающее действие, поэтому её можно применять для вскрытия железных руд. Продолжительность реакций в высокотемпературной плазме крайне мала. Метан, например, при 4 800 – 5 300 K за 1/10000 c на 75 - 80% превращается в ацителен. Главным преимуществом методов плазмохимии является то, что состав исходного сырья может колебаться в широких пределах. Реакции могут протекать и в холодной плазме при температурах ниже 400 K . Интересным примером может послужить азотирование в тлеющем разряде, применяемое для поверхностного упрочнения стали.

Плазма  – ещё мало изученный объект не только в физике, но и в химии (плазмохимии), астрономии и многих других науках. Поэтому важнейшие технические  положения физики плазмы до сих пор  не вышли из стадии лабораторной разработки. В настоящее время плазма активно изучается т.к. имеет огромное значение для науки и техники. Эта тема интересна ещё и тем, что плазма – четвёртое состояние вещества, о существовании которого люди не подозревали до XX века. Возможно, что плазма и есть тот первоэлемент, который так упорно искали алхимики средних веков ?  
 

Использованная  литература :

1. Арцимович  Л.А. Элементарная физика плазмы, М, Атомиздат, 1966.

2. Вурзель  Ф.Б., Полак Л.С. Плазмохимия, М,  Знание, 1985.

3. Ораевский  Н.В. Плазма на Земле и в космосе, К, Наукова думка, 1980.

4. Поллер  З. Химия на пути в третье  тысячелетие, М, Мир, 1982.

5. Франк-Каменецкий  Д.А. Плазма – четвёртое состояние  вещества, М, 6. Атомиздат, 1975.

6. Энциклопедический  словарь юного физика, 3 изд., М, Педагогика-Пресс, 1995.