Что же такое плазма?

Довольно часто мы сталкиваемся в различных текстах или просто в быту с таким понятием, как плазма. Что общего у плазменного телевизора и плазменного шнура в термоядерной реакции? А как они связанны с плазмой крови, и связанны ли вообще? Можно ли называть плазму четвертым агрегатным состоянием?

В этой статье мы попытаемся разобраться с этими вопросами, и получить представление о том, что же такое плазма.

Плазма — это состояние материи, которое часто рассматривается как подмножество газов, но эти два состояния ведут себя очень по-разному. Как и газы, плазма не имеет фиксированной формы или объема и является менее плотной, чем твердые или жидкие вещества. Но в отличие от обычных газов, плазма состоит не из нейтральных атомов и молекул, но из заряженных частиц.

Если вспомнить школьный курс физики, то одним из основополагающих утверждений было следующее: все тела состоят из молекул, а те в свою очередь из атомов. Атому же состоят из положительно заряженных ядер (за заряд в них отвечают протоны) и отрицательно заряженных электронов. Кроме того, как всем нам известно, положительные и отрицательные заряды имеют свойство притягиваться друг к другу. Если положительный и отрицательный заряд равны по величине, то при соприкосновении заряженных объектов суммарный заряд становится равен нулю. Этот экскурс в школьную физику скоро нам пригодится.

Газ состоит из нейтральных молекул и атомов. Это значит, что число отрицательно заряженных электронов равно числу положительно заряженных протонов.

Плазма — это заряженный газ, с сильными кулоновскими [или электростатическими] взаимодействиями. Атомы или молекулы могут получать положительный или отрицательный электрический заряд, когда они получают или теряют электроны. Этот процесс называется ионизацией. Из плазмы состоят Солнце и звезды, и это самое распространенное состояние материи во Вселенной в целом.

(Плазма крови, кстати, — это нечто совершенно другое. Это жидкая часть крови. По данным Американского Красного Креста, плазма состоит на 92 процента воды и составляет 55 процентов крови).

Заряженные частицы

Типичный газ, такой как азот или сероводород, состоит из молекул, у которых суммарный заряд равен нулю, в результате чего объем газа и в целом имеет суммарный заряд, равный нулю. Плазма, состоящая из заряженных частиц, может иметь нулевой суммарный заряд по всему объему, но не на уровне отдельных частиц. Это означает, что между частицами в плазме возникают значительные электростатические силы, а также магнитные поля. Если бы мы заглянули вглубь равновесной плазмы (такой, что в ней одинаковое число положительных и отрицательных частиц одинаковой энергии), увидели бы, как одну положительную частицу окружает несколько электронов, а тех, в свою очередь, окружают вновь положительные частицы. Таким образом каждый электрон притягивают к себе несколько ядер, а каждое ядро притягивается к нескольким электронам. Получается некоторая система, напоминающая кружево, где все частицы находятся в относительном покое из-за того, что их тянет во все стороны одновременно с одинаковой силой. Состоящая из заряженных частиц, плазма может делать то, что газы не могут, например, проводить электричество. А поскольку движущиеся заряды создают магнитные поля, плазма тоже может их иметь.

В обычном газе все частицы ведут себя примерно одинаково. Так что если у вас есть газ в контейнере и дать ему остыть до комнатной температуры, то все молекулы внутри будут двигаться в среднем с одинаковой скоростью. Разумеется, если бы вы измерили скорость многих отдельных частиц, то получилась бы кривая распределения, при которой большинство из них двигались бы близко к среднему значению, и лишь несколько — особенно медленно или быстро. Это связано с тем, что в газе молекулы, как бильярдные шары, сталкиваясь, передают друг другу энергию.

В плазме подобного не происходит, особенно в электрическом или магнитном поле. Магнитное поле, например, может разогнать частицы до гигантских скоростей. Большинство плазм недостаточно плотные, чтобы частицы сталкивались друг с другом очень часто, поэтому магнитные и электростатические взаимодействия имеют большее значение.

Кстати говоря об электростатических взаимодействиях: частицы в плазме — электроны и ионы — могут взаимодействовать посредством электрических и магнитных сил, и они могут делать это на гораздо больших расстояниях, чем в обычном газе. Это, в свою очередь, означает, что волны становятся более важными при обсуждении того, что происходит в плазме. Одна из таких волн называется волной Альфвена, названной в честь шведского физика и нобелевского лауреата Ханнеса Альфвена. Волна Альфвена возникает, когда магнитное поле в плазме нарушается, создавая волну, которая движется вдоль линий поля. В обычных газах аналогов этому нет. Не исключено, что волны Альфена являются причиной того, что температура солнечной короны — тоже плазмы — составляет миллионы градусов, в то время как на поверхности она составляет всего тысячи.

Другая особенность плазмы заключается в том, что она может удерживаться на месте магнитными полями. Большинство исследований в области энергии синтеза сосредоточено именно на этом. Чтобы создать условия для термоядерного синтеза, нужна очень горячая плазма — на миллионы градусов. Поскольку ни один материал не может стать емкостью для плазмы, ученые и инженеры обратились к магнитным полям для выполнения этой работы. 

Плазма в быту

Одно из мест, где можно увидеть плазму в действии — это флуоресцентная лампочка или неоновая вывеска. В этих случаях газ подвергается высокому напряжению, а электроны либо отделяются от атомов газа, либо выталкиваются на более высокий энергетический уровень. Газ внутри лампы становится проводящей плазмой. Возбужденные электроны, которые возвращаются обратно в свои предыдущие энергетические уровни, излучают фотоны — свет, который мы видим в случае неоновой вывески или флуоресцентной лампы.

Плазменные телевизоры работают таким же образом. Газ — обычно аргон, неон или ксенон — впрыскивается в герметичный зазор между двумя стеклянными панелями. Через газ проходит электрический ток, который вызывает его свечение. Плазма возбуждает красный, зеленый и синий люминофоры, которые в сочетании дают определенные цвета.

Другое применение плазмы — в плазменных шарах, которые некоторые из нас так любили в детстве. Они заполнены инертными газовыми смесями, создающими цвет «молнии» внутри них, когда электрический ток ионизирует газ. Является плазмой и электрическая дуга, возникающая между двух электродов, и огни святого Эльма.

Еще один пример плазмы – северное сияние, возникающее, когда солнце особенно активно. Солнечный ветер представляет собой поток заряженных частиц (в основном протонов), которые попадают в магнитное поле Земли. Эти частицы, будучи заряженными, следуют по линиям магнитного поля земли и движутся в направлении полюсов, где они сталкиваются с атомами газов в воздухе, в основном кислородом и азотом, и возбуждают их. Подобно неоновой вывеске, возбужденные атомы кислорода и азота излучают свет.

Ну и напоследок, ответы на еще несколько вопросов, связанных с плазмой:

• Является ли плазма четвертым агрегатным состоянием вещества?

Если коротко, то и да, и нет.

Плазма — горячий ионизированный газ, состоящий примерно из равного количества положительно заряженных ионов и отрицательно заряженных электронов. Характеристики плазмы значительно отличаются от характеристик обычных нейтральных газов, поэтому плазмы иногда называют четвертым состоянием материи. Вероятно, некоторые из читателей слышали про «четвертое агрегатное состояние». И принять на веру такое утверждение легко, поскольку плазма, состоящая из электрически заряженных частиц, сильно подвержена влиянию электрических и магнитных полей, а нейтральные газы — нет. Однако отличное от обычного поведение плазмы – еще не повод называть ее агрегатным состоянием. Ученые, которые отрицают подобное утверждение, приводят в пример сверхтекучее состояние гелия – при низких, близких к абсолютному нулю температурах, он также приобретает ряд невероятных свойств, однако «пятым агрегатным состоянием» его никто не называет.

Так откуда возникло это определение, и почему в некоторых научных источниках его не стесняясь используют? Все дело в том, что плазма может быть частично или полностью ионизированной. Если на положительные и отрицательные заряды разбилась только часть молекул и атомов, то это НЕ четвертое агрегатное состояние. Если же ионизация достигла 100%, то есть все молекулы газа образовали заряженные частицы, отдав максимальное количество электронов, тогда применить это определение МОЖНО.

• С чем связана частичная или полная ионизация?

В первую очередь – от температуры. Кроме того – от самого вещества. Низкотемпературной называют плазму температурой до 100 тысяч градусов. Плазма с более высокой температурой называют горячей или высокотемпературной. Обычно низкотемпературная плазма слабоионизованная, т. е. число нейтральных атомов и молекул значительно превышает число заряженных частиц — электронов и ионов.

• Может ли в плазме быть неодинаковое количество положительно и отрицательно заряженных частиц?

Общий заряд объема плазмы равен нулю. Это значит, что суммарный положительный заряд равен отрицательному. Однако, как известно, у одного атома может быть несколько электронов. В зависимости от температуры и степени ионизации, атом может лишиться как одного, так и всех своих электронов. Таким образом на одно ядро может приходиться по несколько электронов.

• Может ли плазмой быть не только газ?

Может. Вообще, одной только низкотемпературной плазмы насчитывается несколько разновидностей. Например, существует разновидность плазмы, которую называют дымовой. Она встречается при сжигании ракетного топлива, и отличается тем, что в газе распределяются очень маленькие, положительно заряженные частицы твердого вещества. Во время горения с их поверхности вылетают электроны, и на некоторое время образуется плазма. Более того, некоторые ученые (не будем утверждать, что они правы), называют плазмой ионизированные жидкости, или даже твердые проводники (например, медный провод),  ведь они также содержат положительные и отрицательные частицы, а внешне нейтральны.  

А какие технологии, основанные на свойствах плазмы, известны вам? Современный мир живёт современными технологиями, и с доменом .technology для вашего веб-сайта можете быть уверены, что вы будете процветать в этом мире технического прогресса.