Starea agregată - starea unei substanțe caracterizată de anumite proprietăți calitative: abilitatea sau incapacitatea de a păstra volumul și forma, prezența sau absența ordinelor cu rază lungă de acțiune și a distanței scurte și altele. Modificarea stării agregate poate fi însoțită de o schimbare bruscă a energiei libere, a entropiei, a densității și a altor proprietăți fizice de bază.
Se știe că orice substanță poate exista numai în una din cele trei stări: solidă, lichidă sau gazoasă, un exemplu clasic fiind apa, care poate fi sub formă de gheață, lichid și vapori. Cu toate acestea, substanțele care există în aceste state considerate incontestabile și răspândite, dacă luăm întregul univers ca întreg, sunt foarte mici. Ele abia depășesc ceea ce se consideră a fi o urmă nesemnificativă în chimie. Toată restul problemei universului se află în așa-numita stare de plasmă.
Cuvântul "plasmă" (din "plasma" grecească - "decorat") în mijlocul XIX-lea
în. a început să numească partea incoloră a sângelui (fără corpuri roșii și albe) și
un lichid care umple celulele vii. În 1929, fizicienii americani Irving Löngmur (1881-1957) și Levi Tonko (1897-1971) au numit plasmă de gaz ionizat într-un tub de descărcare de gaz.
Fizicianul englez William Crookes (1832-1919), care a studiat electricitatea
descărcarea în tuburi cu aer rarefiat, a scris: "Fenomenele pompate
tuburile deschise pentru știința fizică o nouă lume în care materia poate exista în al patrulea stat. "
În funcție de temperatură, orice substanță îi schimbă
de stat. Astfel, cele negative (centigrade) temperaturile sunt în stare solidă, în intervalul de la 0 la 100 „C. - în lichid peste 100 ° C, în stare gazoasă Dacă temperatura continuă să crească, atomii si moleculele incep sa piarda electroni - ionizate și gaz într-o plasmă la temperaturi mai multe 1000000 ° C, plasma este complet ionizat. - este alcătuită numai din electroni și ioni pozitivi cu plasmă. - starea cea mai răspândită a materiei în natură, acesta reprezintă aproximativ 99% din masa universului Soare, de cele mai multe stele, nebuloase. - acest pe Nost plasmă ionizată. Partea exterioară a atmosferei Pământului (ionosfera), de asemenea cu plasmă.
Încă mai mari sunt centurile de radiație care conțin plasmă.
Lămpile polar, fulgere, inclusiv sferice, sunt diferite tipuri de plasmă, care pot fi observate în condiții naturale de pe Pământ. Și doar o parte nesemnificativă a universului este o substanță într-o stare solidă - planete, asteroizi și nebuloase de praf.
Prin plasmă în fizică se înțelege un gaz format din electric
încărcate și neutre, în care sarcina electrică totală este zero, adică, condiția quasineutrality este satisfăcută (prin urmare, de exemplu, un fascicul de electroni care zboară în vid nu este o plasmă: poartă o sarcină negativă).
1.1. Cele mai tipice forme de plasmă
Cele mai tipice forme de plasmă
Artificial creat plasmă
Panou de plasmă (TV, monitor)
Substanță în lămpi luminescente (inclusiv compacte) și neon
Motoare cu rachete cu plasmă
Corona de descărcare de gaz a generatorului de ozon
Studii de fuziune termonucleară controlată
Arcul electric în Arc Lamp și Arc Welding
Lampa cu plasmă (vezi imaginea)
Arc de descărcare de la transformatorul Tesla
Expunerea la o substanță prin radiații laser
Sfera strălucitoare a unei explozii nucleare
Plasma naturală a Pământului
Lumina Sf. Elma
Limba flacării (plasmă cu temperatură scăzută)
Plasmă cosmică și astrofizică
Soarele și alte stele (cele care există datorită reacțiilor termonucleare)
Spațiul cosmic (spațiul dintre planete, stele și galaxii)
2. Proprietățile și parametrii plasmei
Plasma posedă următoarele proprietăți:
Densitatea suficientă: particulele încărcate trebuie să fie suficient de apropiate una de cealaltă pentru a interacționa cu un întreg sistem de particule încărcate strâns. Condiția este satisfăcută dacă numărul de particule încărcate în sfera de influență (raza Debye) este suficient pentru efecte colective (manifestări similare sunt o proprietate tipică a unei plasme). Din punct de vedere matematic, această condiție poate fi exprimată după cum urmează:
, unde este concentrația de particule încărcate.
Prioritatea interacțiunilor interne: raza ecranării Debye ar trebui să fie mică în comparație cu dimensiunea caracteristică a plasmei. Acest criteriu înseamnă că interacțiunile care apar în interiorul plasmei sunt mai importante decât cele de pe suprafața sa care pot fi neglijate. Dacă această condiție este îndeplinită, plasma poate fi considerată quasineutral. Matematic, arată astfel:
Frecvența plasmei: timpul mediu dintre coliziunile particulelor trebuie să fie mare în comparație cu perioada oscilațiilor plasmatice. Aceste oscilații sunt cauzate de acțiunea asupra încărcării câmpului electric, care rezultă din încălcarea quasineutralității plasmei. Acest câmp urmărește restabilirea echilibrului deranjat. Revenind la poziția de echilibru, sarcina trece prin inerție această poziție, care din nou duce la apariția unui câmp puternic de întoarcere, apar oscilații mecanice tipice [8]. Atunci când această condiție este îndeplinită, proprietățile electrodynamice ale plasmei prevalează asupra proprietăților moleculare-cinetice. În limba matematică această condiție are forma:
Plasma este de obicei împărțită în, temperatura scăzută perfectă și imperfectă și temperatură ridicată, echilibrul și neechilibru, cu adesea plasma rece este neechilibru și echilibru la cald.
Când citiți spoturile științifice și populare cititor de literatură adesea de ordinul zecilor de temperatură cu plasmă, sute de mii sau chiar milioane ° C sau K. Pentru a descrie fizica plasmei, care nu este de a măsura temperatura în ° C, și în unități de mișcare a particulelor energetice caracteristice, de exemplu, în electron-volți (eV). Pentru a converti temperatura la eV, putem folosi următoarea relație: 1 eV = 11600 K (Kelvin). Astfel, devine clar că temperatura în "zeci de mii de ° C" este destul de ușor de atins.
Într-o plasmă fără echilibru, temperatura electronului este mult mai mare decât temperatura ionului. Acest lucru se datorează diferenței dintre masele ionului și electronului, ceea ce complică procesul de schimbare a energiei. Această situație are loc în cazul evacuărilor de gaze, când ionii au o temperatură de aproximativ sute, iar electronii sunt aproximativ zeci de mii de K.
Într-o plasmă de echilibru, ambele temperaturi sunt egale. Deoarece procesul de ionizare necesită temperaturi comparabile cu potențialul de ionizare, plasma de echilibru este de obicei fierbinte (cu temperaturi mai mari de câteva mii K).
Conceptul de plasmă de înaltă temperatură este utilizat de obicei pentru plasma de fuziune termonucleară, care necesită temperaturi de milioane de K.
Pentru ca gazul să treacă în starea de plasmă, acesta trebuie ionizat. Gradul de ionizare este proporțional cu numărul de atomi care au renunțat sau au absorbit electroni și, în cea mai mare parte, depind de temperatură. Chiar și un gaz slab ionizat, în care mai puțin de 1% din particule sunt în stare ionizată, poate prezenta anumite proprietăți tipice ale plasmei (interacțiunea cu un câmp electromagnetic extern și o conductivitate electrică ridicată). Grad de ionizare # 945; definește modul în care # 945; = ni / (ni + na), unde ni este concentrația de ioni și na este concentrația de atomi neutri. Concentrația electronilor liberi într-o plasmă neîncărcată este determinată de relația evidentă: ne =
Un grad scăzut de ionizare (până la 1%) este caracteristic unei plasme cu temperatură scăzută. Deoarece astfel de plasme sunt adesea folosite în procesele tehnologice, ele sunt uneori numite plasme tehnologice. Cel mai adesea ele sunt create cu ajutorul câmpurilor electrice, accelerând electronii, care la rândul lor ionizează atomi. Câmpurile electrice sunt introduse în gaz printr-o cuplare inductivă sau capacitivă (vezi plasmă cuplată inductiv). Aplicațiile tipice includ plasma de temperatură joasă proprietăți de modificare a suprafeței cu plasmă (film de diamant, nitrurare higroscopicitate modificare), suprafețe de gravare cu plasmă (industria semiconductorilor), purificarea gazelor și lichidelor (ozonare de apă și arderea particulelor de funingine în motoarele diesel).
Plasma fierbinte este aproape întotdeauna complet ionizată (gradul de ionizare
100%). De obicei se înțelege ca "a patra stare agregată a materiei". Un exemplu este Soarele.
Pe lângă temperatura, care are o importanță fundamentală pentru însăși existența plasmei, cea de-a doua proprietate cea mai importantă a plasmei este densitatea. plasma densitate expresie se referă în general la densitatea de electroni, adică numărul de electroni liberi pe unitatea de volum (strict vorbind, numită aici concentrare densitate - nici o masă pe unitatea de volum, iar numărul de particule pe unitatea de volum). Într-o plasmă quasineutrală, densitatea ionică este legată de aceasta prin numărul mediu de sarcină al ionilor :. Următoarea cantitate importantă este densitatea atomilor neutri n0. Într-o plasmă fierbinte, n0 este mic, dar poate fi totuși important pentru fizica proceselor din plasme. Când se analizează procesele într-o plasă densă, nonideală, parametrul de densitate caracteristică devine rs, care este definit ca raportul distanței medii interparticulare la raza lui Bohr.
Deoarece plasma este un conductor foarte bun, proprietățile electrice sunt importante. Potențialul plasmei sau potențialul spațiului este valoarea medie a potențialului electric la un moment dat în spațiu. În cazul în care un corp este introdus în plasmă, potențialul său va fi, în general, mai mic decât potențialul plasmatic datorat apariției stratului Debye. Acest potențial se numește un potențial plutitor. Datorită bunei conductivități electrice, plasma are tendința de a proteja toate câmpurile electrice. Aceasta duce la fenomenul quasineutralității - densitatea încărcărilor negative cu o precizie bună este egală cu densitatea taxelor pozitive (). Datorită bunei conductivități electrice a plasmei, separarea încărcăturilor pozitive și negative este imposibilă la distanțele de lungime lungă a Debye și la o perioadă mare de oscilații plasmatice.
Un exemplu de plasmă non-quasineutral este un fascicul de electroni. Cu toate acestea, densitatea plasmelor non-neutre trebuie să fie foarte mică, altfel se vor deteriora rapid datorită repulsiei Coulomb.
Plasma poate fi descrisă la diferite nivele de detaliu. De obicei, plasma este descrisă separat de câmpurile electromagnetice.
Într-un model fluid, electronii sunt descriși în termeni de densitate, temperatură și viteză medie. Modelul se bazează pe ecuația de echilibru pentru densitate, ecuația de conservare a impulsului și ecuația de echilibru al energiei electronice. Într-un model cu două fluide, ionii sunt tratați în același mod.
3.2. Descrierea cinetică
Uneori modelul lichid este insuficient pentru a descrie plasma. O descriere mai detaliată este dată de modelul cinetic în care plasma este descrisă în termenii funcției de distribuție a electronilor în ceea ce privește coordonatele și momentele. Modelul se bazează pe ecuația Boltzmann. Ecuația Boltzmann este inaplicabilă pentru descrierea unei plasme de particule încărcate cu interacțiune Coulomb datorită naturii îndelungate a forțelor Coulomb. Prin urmare, ecuația Vlasov cu un câmp electromagnetic auto-consecvent, creată de particulele de plasmă încărcată, este utilizată pentru a descrie o plasmă cu o interacțiune Coulomb. Descrierea cinetică trebuie utilizată în absența echilibrului termodinamic sau în prezența unor neomogenități plasmatice puternice.
3.3. Particle-In-Cell (chastitsavyacheyke)
Modelele particulare în celule sunt mai detaliate decât cele cinetice. Acestea includ informații cinetice prin urmărirea traiectoriilor unui număr mare de particule individuale. Densitatea electrică. încărcarea și curentul sunt determinate prin însumarea particulelor în celule, care sunt mici în comparație cu problema în cauză, dar conțin totuși un număr mare de particule. E. și magn. câmpurile se găsesc din densitățile încărcărilor și curenților la limitele celulare.
Plasma cea mai utilizată este utilizată în echipamentele de iluminat - în lămpile cu descărcare în gaz care luminează străzile și lămpile fluorescente utilizate în încăperi. În plus, într-o varietate de dispozitive cu descărcare: redresoare de curent electric, stabilizatoare de tensiune, generatoare de plasmă și frecvența amplificatoare ultraînaltă (UHF), contoare de particule cosmice. Toate așa-numitele lasere cu gaz (heliu-neon, kripton, nadiokside carbon, etc ...) De fapt, plasma: amestec de gaze în descărcare electrică nihionizovany. Proprietățile caracteristice ale plasmei au elektronyprovodimosti in metal (ioni, care au fost fixate în kristallicheskoyreshotke neutralizeze tarifelor lor), o pluralitate de electroni liberi ipodvizhnyh „găuri“ (poziție) în semiconductori. Prin urmare, astfel de sisteme se numesc plasmă solidă. Plasma de gaze este de obicei împărțită în temperatură joasă - până la 100 mii. grade și temperaturi ridicate - până la 100 milioane de grade. Există generatoare de plasma plasmatroni cu temperatură joasă, în care se utilizează un arc electric. Cu ajutorul unei lanterne cu plasmă este posibilă încălzirea aproape a oricărui gaz la 7000-10000 grade pe sute și mii de secundă. Odată cu crearea torță, un nou domeniu al științei - chimie plasmă că multe reacții chimice sunt accelerate sau sunt doar în strue.Plazmotrony plasmă utilizate în industria minieră, cât și pentru rezkimetallov. Există, de asemenea, motoare cu plasmă, centrale electrice magnetohidrodinamice. Sunt dezvoltate diferite scheme de accelerare a particulelor încărcate în plasmă. Sarcina centrală a fizicii plasmei este problema fuziunii termonucleare controlate. reacția de fuziune termonucleară numite nuclee mai grele ale elementelor yaderlogkih (în primul rând izotopi ai hidrogenului - deuteriu și tritiu D) care curge la temperaturi foarte ridicate ( „108 K sau mai mare). In vivo, reacțiile termonucleare apar pe soare: nucleele de hidrogen sunt unite între ele formând un nucleu de heliu, cu etomvydelyaetsya cantitate considerabilă de energie. O reacție artificială a fuziunii termonucleare a fost efectuată într-o bombă cu hidrogen.
Plasma este încă un obiect puțin studiat nu numai în fizică, ci și în chimie (chimia plasmei), astronomie și multe alte științe. Prin urmare, cele mai importante prevederi tehnice ale fizicii plasmei nu au părăsit până acum stadiul de dezvoltare a laboratorului. În prezent, plasma este studiată în mod activ pentru că este de mare importanță pentru știință și tehnologie. Acest subiect este, de asemenea, interesant, deoarece plasma este a patra stare de materie, a cărei existență oamenii nu bănuiau până în secolul al XX-lea.
1. Wurzel F.B. Polak L.S. Plasmochimie, M, Cunoaștere, 1985.
2. Oraevsky N.V. Plasma pe Pământ și în spațiu, K, Naukova Dumka, 1980.
Trimiteți-le prietenilor: