Плазма как состояние вещества¶

Плазма — это ионизированный газ, в котором значительная доля атомов или молекул потеряла электроны и превратилась в положительно заряженные ионы, а освободившиеся электроны движутся свободно. Благодаря наличию свободных носителей заряда плазма обладает высокой электропроводностью и активно взаимодействует с электрическими и магнитными полями. Это четвёртое — после твёрдого, жидкого и газообразного — агрегатное состояние вещества, наиболее распространённое во Вселенной.

¶Общая характеристика

В отличие от обычного газа, частицы плазмы электрически заряжены, поэтому между ними действуют дальнодействующие кулоновские силы. Это придаёт плазме коллективные свойства: её поведение описывается не столько движением отдельных частиц, сколько согласованными колебаниями и волнами всей совокупности зарядов. Важнейшая характеристика — степень ионизации, показывающая долю заряженных частиц. По ней различают слабоионизованную (например, пламя) и полностью ионизованную плазму (например, в звёздных недрах).

Ключевые параметры плазмы:

• Концентрация заряженных частиц (число частиц в единице объёма).
• Температура электронов и ионов, которые могут сильно различаться.
• Дебаевская длина — расстояние, на котором электрическое поле отдельного заряда экранируется окружающими частицами.

Именно экранирование и квазинейтральность (равенство суммарных положительного и отрицательного зарядов в больших объёмах) отличают плазму от простого набора зарядов.

¶История изучения

Понятие плазмы в физику ввёл в 1928 году американский химик Ирвинг Ленгмюр, изучавший электрические разряды в газах. Термин был выбран по аналогии с плазмой крови — по сходству «переносящей» роли заряженных частиц. Значительный вклад в теорию внесли работы Льва Ландау по затуханию плазменных волн, а также исследования советских физиков по управляемому термоядерному синтезу, начатые в 1950-х годах. В СССР под руководством Игоря Курчатова и Льва Арцимовича были созданы первые токамаки — установки для удержания высокотемпературной плазмы магнитным полем.

¶Классификация

Плазму классифицируют по нескольким признакам.

По температуре:

• Низкотемпературная (до примерно 10⁵ K) — газовые разряды, пламя, люминесцентные лампы.
• Высокотемпературная (миллионы кельвинов) — термоядерная плазма, звёздные недра.

По степени ионизации: слабо-, частично- и полностью ионизованная.

По происхождению: природная (молнии, ионосфера, солнечный ветер) и искусственная (разряды, плазмотроны, термоядерные установки).

По равновесности: равновесная (термодинамически равновесная) и неравновесная, в которой температуры электронов и ионов существенно различаются.

¶Плазма в природе

Плазма — самое распространённое состояние вещества во Вселенной: на неё приходится, по оценкам, более 99 % видимой материи. Звёзды, включая Солнце, целиком состоят из высокотемпературной плазмы. Солнечный ветер — поток ионизованного газа, истекающий из солнечной короны, — взаимодействует с магнитосферой Земли, вызывая полярные сияния и магнитные бури. В верхних слоях земной атмосферы расположена ионосфера — слабоионизованная плазма, отражающая радиоволны и обеспечивающая дальнюю радиосвязь. Молнии и огни святого Эльма также представляют собой плазменные явления.

¶Искусственная плазма и применение

Человек создаёт плазму в разнообразных устройствах.

• Газоразрядные лампы — люминесцентные и неоновые источники света, где плазма излучает видимый свет.
• Плазменные панели — экраны, в которых каждый пиксель представляет миниатюрную газоразрядную ячейку.
• Плазмотроны — генераторы высокотемпературной струи для резки и сварки металлов, нанесения покрытий.
• Термоядерные установки — токамаки и стеллараторы, удерживающие плазму магнитным полем для получения энергии синтеза.
• Плазменные двигатели — малотяговые реактивные двигатели для космических аппаратов.
• Медицина и технологии — плазменная стерилизация, обработка поверхностей, плазмохимия.

В России исследования плазмы ведутся в институтах Российской академии наук, в частности в области управляемого термоядерного синтеза и физики газового разряда.

¶Методы диагностики и удержания

Поскольку плазма имеет высокую температуру, её нельзя поместить в обычный сосуд. Для удержания применяют магнитные ловушки: магнитные поля заставляют заряженные частицы двигаться по спиралям вдоль силовых линий, не касаясь стенок. Диагностика плазмы включает измерение её излучения, зондовые методы, лазерное рассеяние и спектроскопию. Эти методы позволяют определять концентрацию, температуру и состав плазмы.

¶Значение

Плазма лежит в основе понимания строения звёзд и процессов во Вселенной. Перспективы управляемого термоядерного синтеза связывают с возможностью получения практически неисчерпаемого источника энергии. Плазменные технологии широко применяются в промышленности, освещении, электронике и медицине, что делает физику плазмы одной из наиболее востребованных областей современной науки.

Источники: учебники по общей физике, энциклопедические издания по физике, материалы по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу.