Plasma là trạng thái thứ tư của vật chất

2

Plasma là một trạng thái vật chất rất phổ biến trong tự nhiên. Nghiên cứu của nó bắt đầu tương đối gần đây. Vật lý plasma mang lại nhiều hứa hẹn cho con người, chủ yếu trong lĩnh vực năng lượng. Chính vật lý plasma phải giải quyết được bài toán kiểm soát phản ứng nhiệt hạch và tạo ra các nhà máy điện nhiệt hạch. Nó cũng bao gồm việc nghiên cứu các phương pháp mới để tạo ra năng lượng điện từ nhiên liệu thông thường mà không cần sự trợ giúp của nồi hơi và tua-bin cũng như máy phát điện.

Bài viết dưới đây thuộc về thành viên vừa qua đời trong bộ sưu tập biên tập của tạp chí của chúng tôi, Viện sĩ Lev Andreevich Artsimovich. Ông là người đứng đầu nghiên cứu của Liên Xô trong lĩnh vực kiểm soát các phản ứng nhiệt hạch. Chính ông và các cộng sự đã lần đầu tiên thực hiện được những phản ứng như vậy trong điều kiện phòng thí nghiệm.

Nội dung của bài viết dựa trên một đoạn trích từ cuốn sách khoa học phổ thông “Vật lý plasma cơ bản” của L. A. Artsimovich, do nhà xuất bản Atomizdat xuất bản lần thứ ba năm 1969. Ấn phẩm này do V. A. Leshkovtsev biên soạn.

Cho một lượng nhỏ chất đó vào một bình kín làm bằng vật liệu rất chịu lửa. Hãy bắt đầu làm nóng bình, tăng dần nhiệt độ của nó. Nếu ban đầu chất chứa trong bình ở trạng thái rắn, thì khi nhiệt độ tăng lên, đến một lúc nào đó nó bắt đầu tan chảy, và ở nhiệt độ cao hơn nữa nó sẽ bay hơi và khí thu được sẽ lấp đầy toàn bộ thể tích. Khi nhiệt độ đạt đến mức đủ cao, tất cả các phân tử của khí (nếu là khí phân tử, chẳng hạn như hydro, nitơ hoặc oxy) sẽ phân ly, nghĩa là vỡ ra thành các nguyên tử riêng lẻ. Kết quả là bên trong bình sẽ chứa hỗn hợp khí của các nguyên tố tạo nên chất đó. Các nguyên tử của các nguyên tố này sẽ chuyển động nhanh chóng và hoàn toàn ngẫu nhiên, thỉnh thoảng xảy ra va chạm ngẫu nhiên với nhau.

Tốc độ trung bình của chuyển động nhiệt hỗn loạn của các nguyên tử tăng tỷ lệ với căn bậc hai của nhiệt độ tuyệt đối của chất khí. Khí càng nhẹ, nghĩa là trọng lượng nguyên tử của chất càng thấp thì càng lớn. Giá trị của tốc độ trung bình $\bar{v}$ có thể được tìm thấy bằng công thức sau:

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

Ở đây $T$ là nhiệt độ tuyệt đối và $A$ là trọng lượng nguyên tử của chất đó. Ví dụ, từ công thức (1), nó suy ra rằng ở $T = 1000^\circ\text{K}$ tốc độ trung bình của các nguyên tử hydro là $4 \cdot 10^3\text{ m/c}$, và tốc độ trung bình của các nguyên tử thủy ngân chỉ là $3 \cdot 10^2\text{ m/c}$.

Bằng cách thay đổi nhiệt độ từ mức thấp nhất tương ứng với làm mát sâu kỹ thuật (vài độ từ độ không tuyệt đối), đến vài nghìn độ, chúng ta thực tế có thể khiến bất cứ ai

một chất trải qua ba trạng thái - rắn, lỏng và khí. Câu hỏi được đặt ra một cách tự nhiên: tính chất của chất đó sẽ thay đổi như thế nào nếu quá trình đun nóng tiếp tục diễn ra và nhiệt độ vượt quá vài nghìn độ? Tất nhiên, ở nhiệt độ rất cao, hình ảnh mà chúng tôi mô tả về việc làm nóng một chất trong bình chịu lửa chỉ có thể được tưởng tượng về mặt lý thuyết, vì giới hạn nhiệt của ngay cả những vật liệu chịu lửa nhất cũng tương đối nhỏ - không quá 3000-4000 ° K. Tuy nhiên, hiệu ứng thực tế này không loại bỏ được câu hỏi về việc một chất sẽ hoạt động như thế nào khi nhiệt độ của nó tăng liên tục. Vì vậy, chúng tôi sẽ không từ bỏ kế hoạch đơn giản đã được thông qua vào lúc này. Chúng ta hãy giả sử rằng các thành của con tàu có khả năng kỳ diệu có thể chịu được bất kỳ nhiệt độ cao nào mà không bị sập hoặc gặp bất kỳ thay đổi nào. Vì vậy, hệ thống sưởi tiếp tục. Trong trường hợp này, ở nhiệt độ 3000-5000 ° K, chúng ta sẽ có thể nhận thấy những dấu hiệu đầu tiên về sự xuất hiện của các quá trình mới sẽ liên quan đến sự thay đổi tính chất của chính các nguyên tử của chất đó.

Như đã biết, mỗi nguyên tử bao gồm một hạt nhân tích điện dương, trong đó gần như toàn bộ khối lượng của nguyên tử tập trung và các electron quay xung quanh hạt nhân và tạo thành cái gọi là vỏ electron của các nguyên tử. Lớp vỏ này, và đặc biệt là lớp ngoài của nó, chứa các electron liên kết tương đối yếu với hạt nhân nguyên tử, có cấu trúc khá mỏng manh. Khi các nguyên tử va chạm với bất kỳ hạt chuyển động nhanh nào, một trong các electron bên ngoài có thể bị tách ra khỏi nguyên tử, biến thành ion tích điện dương. Quá trình này được mô tả và sẽ là đặc trưng nhất của giai đoạn làm nóng chất được xem xét. Ở nhiệt độ đủ cao, khí chuyển

trung tính: các ion dương và electron tự do tách ra khỏi nguyên tử xuất hiện trong đó.

Khi nhiệt độ ngày càng tăng, tỷ lệ tương đối của các ion và electron trong hỗn hợp này tăng rất nhanh. Trong các điều kiện khi chất được làm nóng ở trạng thái cân bằng nhiệt với môi trường (trong trường hợp của chúng ta, với thành của một bình lý tưởng tưởng tượng) ở nhiệt độ vài chục nghìn độ, phần lớn các nguyên tử trong bất kỳ chất nào đều là khí và các nguyên tử trung tính thực tế không có.

Đường cong trong hình cho thấy các phần tương đối và các electron tự do tách ra khỏi nguyên tử trong hydro sẽ tăng theo nhiệt độ như thế nào. Trục hoành biểu thị nhiệt độ tuyệt đối và trục tọa độ biểu thị giá trị của α - tỷ lệ giữa số lượng ion dương với số nguyên tử trung tính có mặt ban đầu trong khí, tính bằng phần trăm. Mức độ độ α không chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ mà còn phụ thuộc vào mật độ khí (mặc dù không quá nhiều). Do đó, để định nghĩa, chúng tôi lưu ý rằng hình này đề cập đến trường hợp trong 1 cm³ khí tổng số ion dương và nguyên tử trung tính bằng 7·10¹⁶. Ở nhiệt độ phòng, một loại khí có mật độ như vậy sẽ có áp suất gần 1 mm rm. cm. Ở T = 10.000 °K, số nguyên tử bị ion hóa nhỏ hơn 10% tổng số nguyên tử hydro, trong khi ở T = 30.000 °K có 2·10⁴ nguyên tử dương (pro-

4

tông màu) chỉ có một nguyên tử trung tính xuất hiện.

Lớp vỏ electron của nguyên tử hydro chỉ chứa một electron và do đó sự mất electron kết thúc. Trong nguyên tử của các nguyên tố khác, lớp vỏ electron có cấu trúc phức tạp hơn. Nó bao gồm các electron có mức độ kết nối khác nhau với toàn bộ nguyên tử. Các electron thuộc lớp ngoài của lớp vỏ thoát ra tương đối dễ dàng. Như đã đề cập ở trên, ở nhiệt độ khoảng 30.000 °K hầu như không còn sự kết hợp của các nguyên tử trung tính. Điều này có nghĩa là chúng ta có thể nói về sự ion hóa hoàn toàn của khí. Tuy nhiên, điều đó không có nghĩa là quá trình xử lý đã kết thúc, vì các ion dương trong phạm vi nhiệt độ đã đề cập vẫn giữ lại một phần đáng kể “quần áo điện tử” của chúng.

Số nguyên tử của một nguyên tố trong hệ thống tuần hoàn của Mendeleev càng lớn thì số lượng electron trong nguyên tử càng lớn và các electron ở các lớp bên trong của lớp vỏ càng liên kết với hạt nhân nguyên tử. Do đó, sự ion hóa cuối cùng của các nguyên tử của các nguyên tố nặng như vậy chỉ xảy ra ở nhiệt độ rất cao (hàng triệu, thậm chí mười triệu độ). Lưu ý rằng trong chất khí nặng, trong quá trình ion hóa cuối cùng, đối với mỗi electron dương sẽ chỉ có cùng số electron tự do như số electron ban đầu ở trạng thái liên kết trong nguyên tử. Trong trường hợp này, toàn bộ khí vẫn trung tính, vì bản thân quá trình ion hóa không tạo ra sự vượt quá điện tích của dấu hiệu này hay dấu hiệu khác.

Quá trình von hóa khí ở nhiệt độ cao bao gồm nhiều quá trình tương tác khác nhau giữa các nguyên tử riêng lẻ, với mặt khác là các electron, ion và bức xạ ánh sáng.

Một loại khí trong đó một phần đáng kể các nguyên tử được phân tử hóa được gọi là plasma. Tên này được đề xuất vào năm 1923 bởi các nhà vật lý người Mỹ Langmuir và Tonk. Plasma là dạng tồn tại bình thường của vật chất ở nhiệt độ khoảng 10.000 ° K trở lên. Đồng thời, đó cũng là trạng thái vật chất phổ biến nhất trong điều kiện tự nhiên. Mặt trời và tất cả các ngôi sao không gì khác hơn là những khối plasma nhiệt độ cao khổng lồ. Lớp trên của lớp vỏ khí quyển Trái đất cũng được hình thành từ plasma - đây được gọi là tầng bán cầu.

Để tiếp cận plasma dễ hiểu, chúng tôi đã tận dụng ý tưởng đơn giản là làm nóng một chất ở trạng thái lý tưởng nào đó. Tuy nhiên, về mặt thực tế, đây hoàn toàn không phải là phương pháp thực tế và trong mọi trường hợp, không phải là phương pháp sản xuất plasma dễ dàng khả thi nhất. Cả trong các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm và trong điều kiện kỹ thuật sản xuất plasma, các loại phóng điện điện tử khác nhau trong chất khí đều được xem xét. Trong quá trình phóng điện tử, một dòng điện đi qua chất khí. Chất mang dòng điện này là các electron và ion, hình thành do quá trình ion hóa khí. Bản thân quá trình này gắn bó chặt chẽ với sự đi qua của dòng điện. Chỉ nhờ có dòng điện trong chất khí mà các ion và electron mới luôn xuất hiện và do đó mức độ onization được duy trì ở một mức nhất định. Cho dù đó là tia sét, hồ quang điện tử, sự phóng điện có màu sắc trang nhã trong ống quảng cáo hay sự phóng điện trong đèn huỳnh quang - trong mọi trường hợp, chúng ta đang xử lý các hiện tượng xảy ra trong plasma bị ion hóa cao.

Đồng thời, có một điểm khác biệt giữa plasma, khi chất này được làm nóng, sẽ trở nên ngang bằng với bình chứa nó và plasma của khí phóng điện. Plasma của chất khí phóng điện không ở trạng thái cân bằng tương đối về nhiệt. Cô ấy sưởi ấm

5

Nó được làm mát từ bên trong do năng lượng được giải phóng trong quá trình dòng điện chạy qua và được làm mát từ bề mặt do tiếp xúc với thành lạnh của thiết bị xả khí hoặc với các lớp khí thông thường xung quanh. Plasma được tạo ra bởi sự phóng điện khí mạnh có thể nóng hơn nhiều lần so với kim loại, thủy tinh hoặc khí trung tính bao quanh nó. Ngoài ra, một plasma như vậy còn không cân bằng nhiệt ở một khía cạnh nữa. Nó bao gồm một hỗn hợp của một số thành phần, được làm nóng không đều. Tuy nhiên, trong số các thành phần này là các electron, thành phần khác là các ion dương và thành phần thứ ba là các nguyên tử trung tính. Chúng cũng được trộn đều với nhau, giống như oxy và nitơ trong khí quyển.

Ngược lại với hỗn hợp khí nói chung, tất cả các phần của chúng, tùy thuộc vào thành phần này hay thành phần khác, có cùng động năng trung bình của chuyển động nhiệt ngẫu nhiên, động năng trung bình của các electron, electron và nguyên tử trung tính của plasma phóng điện trong khí là khác nhau. Theo quy luật, các electron có năng lượng cao hơn các ion và động năng của các ion có thể vượt quá năng lượng của các nguyên tử và phân tử trung tính. Pozny có thể nói rằng plasma là hỗn hợp của các thành phần có nhiệt độ khác nhau. Như đã biết, giá trị trung bình động năng $\bar{E}$ của một phần khí tham gia chuyển động nhiệt ngẫu nhiên liên hệ với nhiệt độ $T$ theo công thức đơn giản sau:

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

trong đó $k$ là hằng số Boltzmann.

Do sự khác biệt về động năng trung bình của các electron, electron và các phần trung tính trong plasma, cùng với một nhiệt độ chung, cần phân biệt ba nhiệt độ khác nhau - điện tử $T_3$, thực tập $T_и$ và nguyên tử $T_a$. Thông thường $T_3 \gg T_и > T_a$. Sự khác biệt rất lớn giữa $T_3$ và $T_и$, đặc trưng của hầu hết các dạng phóng điện khí, là do sự khác biệt rất lớn về khối lượng electron của các ion. Các nguồn năng lượng điện bên ngoài, với sự trợ giúp của việc tạo ra và duy trì sự phóng điện khí, truyền năng lượng trực tiếp đến các electron plasma, vì chính các electron nhẹ mang dòng điện. Chúng thu được năng lượng bằng cách va chạm với các electron chuyển động nhanh. Tuy nhiên, trong mỗi va chạm riêng lẻ, do khối lượng chênh lệch quá lớn nên electron nhẹ chỉ truyền một phần động năng nhỏ sang nó, bật ra như một quả bóng bàn chạm vào một quả bóng thép khổng lồ.

Một phân tích đơn giản dựa trên việc áp dụng định luật bảo toàn năng lượng và định luật bảo toàn động lượng cho thấy rằng nếu một vật có khối lượng nhỏ $m_1$ va chạm đàn hồi với một vật có khối lượng lớn gấp nhiều lần $m_2$, thì tỉ lệ động năng tương đối mà vật nhẹ có khả năng truyền sang vật nặng không thể vượt quá $\frac{4m_1}{m_2}$ (bạn hãy thử chứng minh điều này nhé). Tỷ lệ khối lượng của một electron so với khối lượng của nó bằng $1:1840 A$, trong đó $A$ là trọng lượng nguyên tử của chất thuộc về nó. Do đó, giá trị tương đối nhất của năng lượng được truyền trong một vụ va chạm chỉ vào khoảng $2 \cdot 10^{-3} \cdot \frac{1}{A}$.

Một electron phải trải qua rất nhiều va chạm với electron để loại bỏ hoàn toàn năng lượng dư thừa mà nó có.

Vì song song với các quá trình trao đổi năng lượng giữa các electron và ion, còn có quá trình thu nhận năng lượng của các electron từ các nguồn điện.

6

Do dòng điện cung cấp sự phóng điện xảy ra trong plasma trong quá trình phóng khí, nên sự chênh lệch nhiệt độ lớn giữa các electron và ion thường được duy trì mọi lúc. Vì vậy, ví dụ, trong các thiết bị phóng điện khí nêu trên (ống quảng cáo, đèn huỳnh quang, bộ chỉnh lưu quay, v.v.), các giá trị $T_3$ thường nằm trong khoảng vài chục nghìn độ, trong khi các giá trị $T_1$ và $T_2$, theo quy luật, không vượt quá một đến hai nghìn độ. Trong quá trình phóng điện hồ quang, được sử dụng để hàn điện, nhiệt độ của electron và ion gần nhau do trong trường hợp này sự phóng điện xảy ra trong chất khí có mật độ cao hơn và sự va chạm giữa các electron và ion nhanh chóng cân bằng chênh lệch nhiệt độ. Tuy nhiên, ngay cả khi phóng điện hồ quang, $T_3$ vẫn lớn hơn $T_1$ ($T_3$ ở mức vài chục nghìn độ, còn $T_1$ và $T_2$ là khoảng 6000 °K).

Trong một số điều kiện đặc biệt trong plasma tích điện cao, nhiệt độ ion có thể vượt quá đáng kể nhiệt độ electron. Những điều kiện như vậy phát sinh, ví dụ, trong quá trình phóng điện ngắn hạn với công suất rất cao trong các điều kiện thí nghiệm được thiết kế để nghiên cứu các phương pháp tạo ra cái gọi là phản ứng nhiệt hạch.

Bây giờ chúng ta hãy tinh chỉnh phần nào sự hiểu biết chung về plasma và các đặc tính chính của nó. Plasma, tức là một loại khí được truyền vào, có thể có thành phần khá phức tạp. Ngay cả khi plasma được hình thành do cảm ứng của các quá trình hóa học, chẳng hạn như nitơ, oxy hoặc hơi thủy ngân, thành phần ion của nó sẽ chứa các loại ion khác nhau - với một, hai, ba hoặc nhiều điện tích cơ bản. Cần lưu ý rằng ngoài các ion nguyên tử, các ion phân tử, cũng như các nguyên tử và phân tử trung tính, có thể có mặt. Mỗi thành phần này sẽ đặc trưng cho các giá trị nhiệt $n_1$ và nhiệt độ $T$. Trong trường hợp đơn giản nhất, khi chúng đều là các ion nguyên tử tích điện đơn và thành phần trung tính hoàn toàn phân ly và chỉ bao gồm các nguyên tử thì các electron, ion và các nguyên tử trung tính sẽ có mặt trong plasma. Những điều kiện như vậy chỉ được tạo ra trong quá trình phóng điện mạnh ở hydro, tác dụng hoặc tritium. Trong ví dụ đã cho, nồng độ của các ion $n_1$ xấp xỉ bằng nồng độ của electron $n_3$. Trong trường hợp tổng quát hơn, khi plasma chứa các ion tích điện đơn có nồng độ $n_1$, các ion tích điện kép có nồng độ $n_2$, các ion tích điện ba lần có nồng độ $n_3$, v.v., chúng ta có thể viết phương trình gần đúng sau:

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

Sự tương ứng giữa nồng độ điện tích âm và dương trong huyết tương cho thấy rằng toàn bộ huyết tương là chuẩn trung tính, nghĩa là không có sự vượt quá đáng chú ý của điện tích của dấu này so với điện tích của dấu kia.

Cần phải đề cập đến đặc tính này của plasma chi tiết hơn một chút, vì nó có tầm quan trọng đáng kể và trong trường hợp cuối cùng, nó chứa đựng chính định nghĩa của khái niệm “plasma”.

Một câu hỏi tự nhiên được đặt ra: các điều kiện gần như trung tính cần được quan sát ở mức độ chính xác nào trong một chất khí được truyền vào? Cho dù quá trình tạo ra được tạo ra như thế nào, lời khuyên trước là phải có lượng điện tích dương và âm bằng nhau. Do sự khác biệt về tốc độ chuyển động của electron và ion, các electron có thể dễ dàng rời khỏi thể tích mà chúng bắt nguồn. Do đó, nếu do quá trình hình thành nguyên tử, ban đầu số lượng điện tích trái dấu giống nhau được hình thành, thì do sự biến mất nhanh chóng của các electron chết trên thành

7

thiết bị, bên trong có khí bị ion hóa, có vẻ như chúng sẽ vẫn ở số lượng lớn hơn đáng kể, nghĩa là không có nghi ngờ gì về bất kỳ tính gần như trung tính nào.

Mặt khác, cần phải tính đến việc rò rỉ sơ cấp điện tích của một dấu hiệu (electron) trong khí bị ion hóa, ngay lập tức hình thành một điện tích dư của dấu hiệu khác, giúp cân bằng dòng electron của các ion và ngăn cản sự gia tăng chênh lệch giữa nồng độ hạt của cả hai dấu hiệu. Các điều kiện theo đó hiệu ứng này sẽ đủ để hỗ trợ tính gần như trung lập có thể được giải thích bằng những cân nhắc sau đây.

Để đơn giản, chúng ta hãy giả sử rằng trong chất khí bị ion hóa, ngoài các electron, chỉ có các ion tích điện đơn lẻ chiếm ưu thế. Giả trung lập có nghĩa là $n_3$ khác rất ít so với $n_1$. Độ lệch đáng chú ý của $n_3$ so với $n_1$ sẽ ảnh hưởng đến hoạt động của từng hạt riêng lẻ như thế nào? Rõ ràng, mọi thứ sẽ phụ thuộc vào mức độ ảnh hưởng theo nghĩa bóng của điện trường phát sinh với độ lệch như vậy đối với chuyển động của các hạt tích điện. Hai trường hợp cực đoan ngay lập tức nổi bật ở đây. Nếu số lượng hạt tích điện trong thể tích nhỏ thì điện trường do chúng tạo ra quá yếu để ảnh hưởng đến chuyển động của chúng, ngay cả khi tất cả các trường cộng lại. Trong trường hợp này, các electron và ion riêng lẻ trong hành vi của chúng không hề có mối liên hệ nào với nhau và với từng hạt chuyển động như thể những hạt khác không có mặt. Do đó, các điều kiện gần như trung lập không được yêu cầu ở đây. Trường hợp ngược lại tương ứng với một loại khí bị ion hóa có nồng độ hạt tích điện cao chiếm thể tích khá lớn. Trong trường hợp này, các khoản phí vượt mức phát sinh do vi phạm nghiêm trọng sự bình đẳng giữa $n_3$ và $n_1$,

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

(3)

Trong sự tương ứng này, $n_3$ là nồng độ của các hạt tích điện (số lượng electron trên một đơn vị thể tích) và $r$ là kích thước tuyến tính của vùng bị chiếm bởi khí bị ion hóa, ví dụ, bán kính của bình cầu chứa khí này. Sự xuất hiện của đại lượng $r$ trong biểu thức này không khó để phân biệt. Đối với một nồng độ nhất định của các hạt tích điện, thế năng immi được tạo ra và do đó là thế năng của từng hạt riêng lẻ, phụ thuộc vào kích thước của vùng mà các hạt này nằm trong đó. Do đó, đại lượng đặc trưng cho kích thước này phải được đưa vào công thức biểu thị các điều kiện của giả trung hòa. Đại lượng $5 \sqrt{\frac{T_3}{n_3}} = r_D$ được gọi là bán kính Debye theo tên nhà vật lý người Đức Debye.

Theo điều kiện (3), nếu kích thước của vùng được bao phủ bởi khí ion hóa có nồng độ cho trước $n_3$ và nhiệt độ electron