Плазма — четвёртое состояние вещества

2

Плазма — весма распространенное в природе состояние вещества. Ее изучение началось сравнительно недавно. С физикой плазмы человеку связывает очень большое надежды, прежде всего, в области энергетики. Именно физика плазмы должны решить проблемы осуществления управления термодерных реакций и создания термодерных электростанций. К ней же относятся работы по новым методам получения электрической энергии за счет обчного топлива без помощью паровых котлов и турбин, а также электрических генераторов.

Помещаемая ниже статья принадлежит недавно скончавшему члену редакционной коллекции нашего журнала академику Льву Андреевичу Арцимовичу. Он был руководителем советских исследований в области управления термодерных реакций. Именно ему и его сотрудникам удалось впервые осуществить такие реакции в laboratorных условиях.

Текст статьи замистован изведения к научно-популярной книге Л. А. Арцимовича «Элементарная физика плазмы», выпущен в свет издательством «Атомиздат» третьим изданием в 1969 году. Публикацию подготовил В. А. Лешковцев.

Пусть в замкнутом сосуде, сделанном из очень тугоплавкого материала, находится небольшое количество какого-либо вещества. Начнем подогревать сосуд, постепенно повышая его температуру. Если первоначально вещество, содержащейся в сосуде, было в твердом состоянии, то при возрастании температуры оно в неокотый момент начинает плавится, а при еще более высокой температуре испарится, и образовавшийся газ равномерно заполнит весь объем. Когда температура достигнет достаточно высокого уровня, все молекулы газа (если это молекулярный газ, как, например, водород, азот или кислород) диссоциируют, то есть распадуется на отдельные atoms. В результате внутри сосуд будет содержаться газообразная смесь элементов, из которых состоит вещество. Атомы этих элементов будут быстро и совершенно беспорядочно двигаться, испытывая время от времени случайные стольновения между собой.

Средняя скорость хаотического теплового движения atomов растет пропорционально квадратному корню из абсолотной температуры газа. Она тем больше, чем легче газ, то есть чем меньше atomный вес вещества. Величину средней скорости $\bar{v}$ можно найти с помощью следующей формулы:

$$\bar{v} = 1,3 \cdot 10^4 \sqrt{\frac{T}{A}}.$$ (1)

Здесь $T$ — абсолотная температура и $A$ — atomный вес вещества. Из формулы (1) следует, например, что, при $T = 1000^\circ\text{K}$ средняя скорость atomов водорода составляет $4 \cdot 10^3\text{ m/c}$, а средняя скорость atomов ртути — всего лишь $3 \cdot 10^2\text{ m/c}$.

Изменя температуру от наиболее низкого уровня, соответствующего техническим глубокого охлаждения (несколько градусов от абсолотного нуля), до нескольких тышей градусов, мы можем заставить практические лю-

бое вещество пройти через три состояния — твердое, жидкое и газообразное. Естественно возникает вопрос: как будет изменяться свойства вещества, если нагревание продолжится дальше и температура выйдет за пределы нескольких тыс градусов? Конечно, при очень высокой температуре изображаемую нами картину нагревая вещества в тугоплавком сосуде можно представить только теоретически, так как предел термической стороны даже самых тугоплавких материалов сравнительно не велик — не более 3000—4000 °К. Однако это практическое воздействие не снимает вопросы о том, как будет вести себя вещество при непрерывном повышении его температуры. Поэтому мы не будем пока отказывать от принятой простой схемы. Допустим, что стенки сосуда обладают волшебной способностью противостоять угдоно высокой температуре, не разрушаясь и не испытывая никаких изменений. Итак, нагревание продолжается. В таком случае уже при 3000—5000 °К мы сможем заметить первые признаки появления новых процессов, которые будут связаны с изменением свойств самих atoms вещества.

Как известно, каждый atom состоит из положительного заряженного ядра, в котором сосредоточена почти все масса atoms, и электронов,вращающихся вокруг ядра и образующих в совокупности так называемую электронную оболочку atoms. Эта оболочка и в особенности ее внешний слой, содержащий электроны, сравнительно слабо связанные с atomным ядром, обладают довольно хруплкой структурой. При столкновении atoms с какой-либо быстро диггающейся частицей один из внешних электронов может быть оторван от atoms, который превращится в положительное заряженный ion. Именно этот процесс описан и будет наиболее характерным для рассматриваемой стадии нагрева вещества. При достаточно высокой температуре газ передает быть

нейтральным: в нем появляется положительныеоны и свободные электроны, оторванные от atomов.

С увеличением температуры относительной доляонов и электронов в этой смеси очень быстро возрастает. В условиях, когда нагретое вещество находится в тепловом равновесии с окружающей средой (в нашем случае со стенками вообразаемого идеального сосуда) при температуре в несколько десятиков тыс градусов, подавляющая часть atomов в любом газеонизирована и нейтральные atoms практически отсутствуют.

Кривая на рисунке показывает, как должны расти с температурой относительной доляонов и свободные электроны, оторванные от atomов в водороде. По оси абсцисс отложена абсолотная температура, по оси ordinат — величины α — отношение числа положительныхонов к числу нейтральных atomов, первоначально имеющих в газе, в процентах. Степеньонизации α зависит не только от температуры, но и от плотности газа (хотя и не так сильно). Поэтому для определения отметим, что рисунок относится к тому случае, когда в 1 cm³ газа полное число положительныхонов и нейтральных atomов равно 7·10¹⁶. При комнатной температуре газ с такой плотностью будет иметь давление, близкое к 1 mm рм. cm. При T = 10 000 °К числоонизированных atomов меньше 10% общего числа atomов водорода, тогда как при T = 30 000 °К на 2·10⁴ положительныхонов (про-

4

тонов) приходит всего лишь один нейтральный atom.

Электронная оболочка atomа водорода содержит только один электрон, и поэтому с потеря электронаонизация заканчивается. В atomах других элементов электронная оболочка имеет более сложную структуру. В ее состав входят электроны, обладающие разной степенью связи с atomом в целом. Электроны, принадлежшие к внешним слоям оболочки, отрывются сравнительно легко. Как уже говорилось выше, при температуре порядка 30 000 °К почти не должно оставаться примеси нейтральных atomов. Это означает, что можно говорить о полнойонизации газа. Однако отсюда не следует, что процессионизации заканчились, так как положительныеоны в упомянутой области температур сохраняют значительную часть своего «электронного одеяния».

Чем больше порядковый номер элемента в периодической системе Менделеева, тем больше число электронов в atomе и тем прочее связаны электроны внутриних слояв оболочки с atomным ядром. Поэтому окончательнаяонизация atomов таких тяжелых элементов происходит только при очень высоких температурах (миллионы или даже десяти миллионов градусов). Отметим, что в тяжелом газе при окончательнойонизации на каждый положительныйон будет приходится только же свободных электронов, сколько их первоначально находится в связанном состоянии в atomе. При этом газ в целом остается нейтральным, так как процессыонизации сами по себе не создают избытка в зарядах того или другого знака.

Вонизации газа при высокой температуре принимают участие различные процессы взаимодействия между отдельными atomами, с одной стороны, и электронами, ионами и световым излучением — с другой.

Газ, в котором значительная часть atomов или молекулонизирована, называется плазмой. Это название было предложено в 1923 году американскими физиками Ленгмюром и Тонком. Плазма — нормальная форма существования вещества при температуре порядка 10 000 °К и выше. Вместе с тем и наиболее распространенное состояние вещества в природных условиях. Солнце и все звезды представляют собой не что иное, как гигантские густки высокотемпературной плазмы. Верхний слой атмосферной оболочки Земли также образованы из плазмы — это так называемаяонизефера.

Для того чтобы подойти к понятному плазмы, мы воспользовались весом простой идеей о нагревании вещества в некотором идеальном состоянии. Однако практические это совсем не напулящий и уж, во всяком случае, не наиболее легко осуществимый метод получения плазмы. Как влабораторных опытах, так и в техническими условиями для получения плазмы считаются различные виды электронических разрядов в газах. При электронческом разряде через газ проходит ток. Носителями этого тока является электроны ионы, которые образуют в результатеонизации газа. Самый процессонизации неразрывно связаан с прохождением тока. Только благодарна наличие тока в газе все время возникают новые ионы и электроны, и поэтому степеньонизации поддерживается на определенном уровне. Будь то молния, электронская дуга, нарядно окрашенный разряд в рекламной трубке или разряд в люминесцентной лампе дневного света — во всех случаях мы имеем дело с явлениями, разыгрывающимся в сильноонизированной плазме.

Вместе с тем между плазмой, сравновавшейся при нагревании вещества задно с сосудом, в котором оно находится, и плазмой газового разряда имеет одно существование различие. Плазма газового разряда не является в термическом (телловом) относительной равновесной. Она нагре-

5

вается изнутри за счет энергии, выделяющей при прохождения тока, и охладается с поверхности вседствие контакта с холодными стенками газоразрядного прибора или же с окружающими слоями обчного газа. Плазма, образующаяся при интенсивных газовых разрядах, может иметь во много раз более высокую температуру, чем металл, стекло или нейтральный газ, которые ее окружают. Кроме того, такая плазма термически неравновесна еще в одном относении. Она состоит из смеси нескольких компонент, неодинаково нагретых. Однако из этих компонент является электроны, другой — положительныеоны и третьей — нейтральные atoms. Они также равномерно перемешаны между собой, как кислород и азот в атмосфере.

В противоположность общной газовой смеси, все части которых неравниимо от их принадлежности к той или иной другой составляющей имеют одинаковую среднюю кинетическая энергия беспорядочного теплового движения, у электронов, инов и нейтральных atoms плазмы газового разряда средняя кинетическая энергия различна. Электроны, как правило, обладают городаю более высокими энергиями, чем ионы, а кинетическая энергия инов может превышать энергию нейтральных atoms и молекул. Позному можно сказать, что плазма представляет собой смесь компонент с различными температурами. Как известно, средняя величина кинетической энергии $\bar{E}$ части газа, участвуших в беспорядочном теплом движении, связана с температурой $T$ следующей простой формулой:

$$\bar{E} = \frac{3}{2} k T,$$

где $k$ — постоянная Больцмана.

Из-за различия в величины средней кинетической энергии электронов, инов и нейтральных части в плазме вместе одной общей температуры следует различать три разные температуры — электронную $T_3$, иннную $T_и$ и atomную $T_a$. Обычно $T_3 \gg T_и > T_a$. Очень большое различие между $T_3$ и $T_и$, характерное для большистива формы газового разряда, обусловлено громадной разнишей в величины массы электронов ионов. Внешние источники электрической энергии, с помощью которых создается и поддерживает газовый разряд, передают энергию непосредственно электронам плазмы, так как именно легкие электроны являются носителями тока. Они приобретают свою энергию благодар столковением с быстро движущимся электронами. Однако при каждом отдельном столковении из-за большого различия в массе легкий электрон передаетону лишь небольшую часть своей кинетической энергии, отскакивая от него, как шарик для пинг-понга, ударившийся о массивной стальной шар.

Простой анализ, основанный на применении закона сохранения энергии и закона сохранения количества движения, показывает, что если тело малой массы $m_1$ стalkивается упруго с телом во много раз большей массы $m_2$, то относительная доля кинетической энергии, которой легкое тело в состоянии передать тяжелому, не может превышать $\frac{4m_1}{m_2}$ (попробуйте доказать это сами). Отношение массы электрона к массе она равно $1:1840 A$, где $A$ — atomный вес вещества, которое принадлежатоны. Следовательно, наиболее относительная величаемая передаваемой в одном соударении энергии составляет всего лишь около $2 \cdot 10^{-3} \cdot \frac{1}{A}$.

Позному электрон должен испыть очень много столковений с понами для того, чтобы полностью отдать имеющихся у него излишек энергии.

Поскольку параллельно процесам, при которых происходит обмен энергиями между электронами и ионами, идет процесс приобретения энергии электронами от источников электри-

6

рического тока, питающего разряд, в плазме при газовом разряде обычно все время подерживается большой перепад температур между электронами и ионами. Так, например, в упоминавшихся выше газоразрядных приборах (рекламные трубки, лампы дневного света, рутные выпрямители и т. д.) величины $T_3$ обычно лежит в пределах нескольких десятиков тысяч градусов, в то время как величины $T_1$ и $T_2$, как правило, не превышает одной—двух тысяч градусов. При дугом разряде, который использовется для электросварки, электронная и ионаная температуры близкие друг к другу вседствие того, что в этом случае разряд происходит в газе с большей плотностью и частище стольновения между электронами и ионами быстро выравнивают разность температуры. Однако и в дугом разряде $T_3$ все же больше $T_1$ ($T_3$ порядка несколько десятиков тысяч градусов, а $T_1$ и $T_2$ порядка 6000 °K).

При некоторых специальных условиях в сильно инизированной плазме и ионаная температура может значительно превышать электронную. Такие условия возникают, например, при кратковременных электрических разрядах очень большой мощности в экспериментальных условиях, предназначенных для исследования способов генерации так называемых термоядерных реакций.

Теперь несколько утончим общее представления о плазме и ее основных характеристиках. Плазма, то есть инизированный газ, может обладаать довольно сложным составом. Даже в том случае, если плазма образуется в результате инизации химических процес года, например азота, кислорода или паров ртути, ее ионаная компонента будет содержатьоны различных сортов — с одним, двумя, третьями или более элементарными зарядами. Следует отметить, что кроме атомарных ионов могут присутствовать молекулярные ионы, а также нейтральные атомы и молекулы. Каждый из этих компонент будет характеризовать термозначения $n_1$ и температур $T$. В простейшем случае, когда все они — однозарядные атомарные ионы, а нейтральная компонента полностью диссоциирована и состоит только из атомов, в плазме будут присутствовать электронные, ионы и нейтральные атомы. Такие условия создают только при интенсивных разрядах в водороде, действии или тритии. В приведенном примере концентрация ионов $n_1$ приблизительно равна концентрации электронов $n_3$. В более общем случае, когда в плазме присутствует однозарядные ионы с концентрацией $n_1$, двухзарядные — с концентрацией $n_2$, трехзарядные — с концентрацией $n_3$ и т. д., можно записать следующей приблизительной равенство:

$$n_3 = n_1 + 2n_2 + 3n_3 + \dots$$

Такое соответствие между концентрацией отрицательных и положительных зарядов в плазме говорит о том, что плазма в целом квазинейтральна, то есть в ней нет заметного избытка зарядов одного знака над зарядами другого знака.

На этом свойства плазмы нужно остановиться несколько подробнее, так как оно имеет существенное значение и, в конечном случае, в нем содержится само определение понятия «плазма».

Возникает естественный вопрос: с какой степенью точности в инизированном газе должно соблюдаться условия квазинейтральности? Каким бы путем ни создавалась инизация, заранеесовет не оченьindo, что положительных и отрицательных зарядов должны быть поровну. Из-за различия в скорости движения электронов и ионов perвыые могут с большей легкостью покидать объем, в котором они возникли. Поэтому если благодаря процессам инизации атомов первоначально образуется одинаковое число зарядов противоположных знаков, то из-за быстрое исчезновения электронов, погибающих на стенках

7

аппаратуры, внутри которого находится ионизированный газ,оны, казалось бы, должны оставаться в значительной большем числе, то есть ни какой квазинейтральности не должно быть и речи.

С другой стороны, нужно учеть, что при премишtectвенной утечке зарядов одного знака (электронов) в ионизированном газе немедленно образуется избыточный заряд другого знака, который способствует выравнинию потока электронов ионов и преяствует увеличению разницы между концентрациями частиц обихх знаков. Условия, при которых этот эффект будет достаточно для того, чтобы поддерживать квазинейтральность, можно разъяснить с помощью следующих соображений.

Допустим для простоты, что в ионизированном газе преяствуют кроме электронов только однозарядныеоны. Квазинейтральность означает, что $n_3$ очень мало отличается от $n_1$. Как отразится на поведении отдельных частиц заметное отклонение $n_3$ от $n_1$? Очевидно, что все будет зависеть от того, насоклько сильным окажется образное влияние электрического поля, возникшего при таком отклонении, на движение заряженных частиц. Здесь сразу же выделяются два крайних случая. Если число заряженных частиц в объеме невелико, то создаемые имми электрические поля слищком слабы для того, чтобы повляять на их движение, даже если все поля складываются. В этом случае отдельные электроны ионы в своем поведении никак не связаны друг с другом и каждой из частиц движения так, как будто бы другие отсутствуют. Следовательно, условия квазинейтральности здесь не обязательны. Противоположный случай соответствует ионизированному газу с высокой концентрацией заряженных частиц, занимающей достаточно большой объем. В этом случае избыточные заряды, возникшие при сильном нарушении равенства между $n_3$ и $n_1$,

$$r \gg 5 \sqrt{\frac{T_3}{n_3}}.$$

(3)

В этом соответствии $n_3$ — концентрация заряженных частиц (число электронов в единице объема) и $r$ — линейный размер области, занятой ионизированным газом, например, радиус сферического колбы, в которой этот газ находится. Появление величины $r$ в данном выражении нетрудно раз辩нить. При заданной концентрации заряженных частиц создаемые имми потенциал, а следовательно, и потенциалная энергия отдельной частицы зависит от размеров области, в которой находится эти частицы. Поэтому величина, характеризующая данный размер, должна обязаться воходить в формулу, выражающего условия квазинейтральности. Величина $5 \sqrt{\frac{T_3}{n_3}} = r_D$ носит название дебаевского радиуса по имени немецкого физика Дебая.

Согласно условия (3), если размеры области, занываемой ионизированным газом с заданной концентрацией $n_3$ и электронной темпера-