Долгий путь вёл человека к познанию плазмы, к её использованию в различных отраслях техники. Когда же наука и техника включили плазму в сферу своего внимания, рост знаний о ней и её практическое применение пошли семимильными шагами. Тут и возникли плазмохимия и плазмохимическая технология.

Ещё крупнейший древнегреческий учёный Аристотель предпо лагал, что все тела состоят из четырёх низших элементов-стихий: земли, воды, воздуха и огня. Дальнейшее развитие науки наполнило новым содержанием эти термины. Действительно вещество может быть в четырёх состояниях: твёрдом, жидком, газообразном и плазменном.

Плазма представляет собой состояние вещества, наиболее распространённое в космосе и обладающее очень интересными свойствами, которые находят всё более широкое применение в разработках, посвящённых большим проблемам современной техники. Например, Солнце и звёзды являются примерами высокотемпературной плазмы.

Газ, в котором значительная часть атомов или молекул ионизиована, называется плазмой. Это название было предложено в 1923 году американскими физиками Ленгмюром и Тонксом. Плазма – нормальная форма существования вещества при температуре порядка 10 000 градусов и выше. Вместе с тем это наиболее распространённое состояние вещества в природных условиях. Солнце и звёзды представляют собой не что иное, как сгустки высокотемпературной плазмы. Верхний слой атмосферной оболочки Земли также образован из плазмы – это так называемая ионосфера.

Возникновение плазмы.

Пусть в замкнутом сосуде, сделанном из очень тугоплавкого материала, находиться небольшое количество какого-либо вещества. Начнём подогревать сосуд, постепенно повышая его температуру. Если первоначально вещество, содержащееся в сосуде, было в твёрдом состоянии, то в некоторый момент оно начнёт плавиться, а при ещё более высокой температуре испариться и образовавшийся газ равномерно заполнит весь объём. Когда температура достигнет достаточно высокого уровня, все молекулы газа (если это молекулярный газ) диссоциируют, т.е. распадутся на отдельные атомы. В результате в сосуде будет содержаться газообразная смесь элементов, из которых состоит вещество. Атомы этих элементов будут быстро и беспорядочно двигаться, испытывая время от времени столкновения между собой.

Средняя скорость хаотического теплового движения атомов растёт пропорционально квадратному корню из абсолютной температуры газа. Она тем больше, чем легче газ, т.е. чем меньше атомный вес вещества. Величину средней скорости v можно найти с помощью следующей формулы:

Здесь T - абсолютная температура плазмы, A - атомный вес вещества. Скорость выражается в сантиметрах в секунду.

Естественно, возникает вопрос: как будут изменяться свойства вещества, если нагревание продолжиться дальше и температура выйдет за пределы нескольких тысяч градусов? Конечно, при очень высокой температуре изображаемую нами картину нагревания вещества в тугоплавком сосуде можно представить только теоретически, т.к. предел термической стойкости даже самых тугоплавких материалов сравнительно невелик – 3 000 – 4 000 градусов. Допустим, что стенки сосуда способны противостоять сколь угодно высокой температуре, не разрушаясь и не испытывая никаких изменений. Итак, нагревание продолжается. В таком случае уже при 3 000 – 5 000 градусов мы сможем заметить признаки проявления новых процессов, которые будут связаны с изменением свойств самих атомов вещества.

Как известно, каждый атом состоит из положительно заряженного ядра, в котором сосредоточена почти вся масса атома, и электронов, вращающихся вокруг ядра и образующих электронную оболочку атома. Эта оболочка и в особенности её внешний слой, содержащий электроны, сравнительно слабо связанные с ядром, обладают довольно хрупкой структурой. При столкновении атома с какой-либо быстро движущейся частицей один из внешних электронов может быть оторван от атома, который превратиться в положительно заряженный ион. Именно этот процесс ионизации и будет наиболее характерен для рассматриваемой стадии нагревания вещества. При достаточно высокой температуре газ перестаёт быть нейтральным: в нём появляются положительные ионы и свободные электроны, оторванные от атомов.

В условиях, когда нагретое вещество находиться в тепловом равновесии с окружающей средой (в нашем случае со стенками воображаемого идеального сосуда) при температуре в несколько десятков тысяч градусов, подавляющая часть атомов в любом газе ионизирована и нейтральные атомы практически отсутствуют. Например при T = 30 000 градусов на 20 000 положительных ионов приходиться всего лишь один нейтральный атом.

Электронная оболочка атома водорода содержит только один электрон, и поэтому с потерей атома ионизация заканчивается. В атомах других элементов электронная оболочка имеет более сложную структуру. В её состав входят электроны, обладающие разной степенью связи с атомом в целом. Электроны, принадлежащие к внешним слоям оболочки, отрываются сравнительно легко. Как уже говорилось выше, при температуре порядка 20 000 – 30 000 градусов почти не должно оставаться примесей нейтральных атомов. Это означает, что можно говорить о полной ионизации газа. Однако это не означает, что процесс ионизации закончился, т.к. положительные ионы в упомянутой области температур сохраняют значительную часть своего “электронного одеяния”. Чем больше порядковый номер элемента в периодической системе Менделеева, тем больше число электронов в атоме и тем прочнее связаны электроны внутренних слоёв оболочки с атомным ядром. Поэтому окончательная ионизация тяжёлых элементов только при очень высоких температурах (десятки миллионов градусов). При этом газ остаётся в целом нейтральным, т.к. процессы ионизации не создают избытка в зарядах того или иного знака.

В ионизации газа при высокой температуре принимают участие различные процессы взаимодействия между отдельными атомами, с одной стороны, и электронами, ионами и световым излучением – с другой.

Различают высокотемпературную плазму, возникающую при сверхвысоких температурах, и газоразрядную плазму, возникающую при газовом разряде. Любая плазма характеризуется степенью ионизации a - отношением числа ионизированных частиц к полному их числу в единице объёма плазмы. В зависимости от величины a говорят о слабо (a составляет доли процента), умеренно (a - несколько процентов) и полностью (a близко к 100%) ионизированной плазме.

Однако, описанный нами способ получения плазмы на практике не является самым лучшим из-за сложности его осуществления. Как в лабораторных опытах, так и в технике нормальным состоянием плазмы считают различные виды электрических разрядов в газах. При электрическом разряде через газ проходит ток. Носителями этого тока являются электроны и ионы, которые образуются в результате ионизации газа. Сам процесс ионизации неразрывно связан с прохождением тока. Только благодаря наличию тока в газе постоянно возникают новые ионы и электроны, и степень ионизации поддерживается на определённом уровне. Будь то молния, электрическая дуга, разряд в люминесцентной лампе дневного света – во всех случаях мы имеем дело с явлениями, разыгрывающимися в сильно ионизированной плазме. Между тем между плазмой, образовавшейся при нагревании вещества вместе с сосудом, в котором оно находиться, и плазмой газового разряда имеется одно существенное отличие. Плазма газового разряда не является в термическом отношении равновесной. Она нагревается изнутри за счёт энергии, выделяющейся за счёт прохождения тока, и охлаждается с поверхности вследствие контакта с холодными стенками газоразрядного прибора или же с окружающими слоями обычного газа. Плазма, образующаяся при интенсивных газовых разрядах, может иметь во много раз большую температуру, чем металл, стекло или нейтральный газ, которые её окружают. Кроме того, такая плазма термически неравновесна ещё в одном отношении. Она состоит из смеси нескольких компонент, неодинаково нагретых. Одной из этих компонент являются электроны, другой – положительные ионы и третьей – нейтральные атомы. Они так же равномерно перемешаны между собой, как кислород и азот в атмосфере.

Однако в противоположность обычной газовой смеси, все частицы которой независимо от их принадлежности к той или иной составляющей имеют одинаковую среднюю кинетическую энергию беспорядочного теплового движения, у электронов, ионов и нейтральных атомов плазмы газового разряда средняя кинетическая энергия различна. Электроны, как правило, обладают гораздо более высокими энергиями, чем ионы, а кинетическая энергия ионов может превышать энергию нейтральных атомов и молекул. Поэтому можно сказать, что плазма представляет собой смесь компонент с различными температурами. Как известно средняя величина кинетической энергии W T беспорядочного теплового движения W связана с температурой T следующим соотношением:

где k – так называемая постоянная Больцмана, равная 1,38Ч эрг/град. Из-за различия в величине средней кинетической энергии электронов, ионов и нейтральных частиц в плазме вместо одной общей температуры следует различать три разные температуры: электронную T e , ионную T i и атомную T 0 . Обычно T e >> T i > T 0, где “>>” означает “во много раз больше”. Очень большое различие между T e и T i , характерное для большинства форм газового разряда, обусловлено громадной разницей в величине массы электронов и ионов. Внешние источники электрической энергии, с помощью которых создаётся и поддерживается газовый разряд, передают энергию непосредственно электронам плазмы, т.к. именно лёгкие электроны являются носителями электрического тока. Ионы приобретают свою энергию благодаря столкновениям с быстро движущимися электронами. Однако при каждом отдельном столкновении из-за большого различия в массе лёгкий электрон передаёт иону лишь небольшую часть своей кинетической энергии. Простой анализ, основанный на применении закона сохранения энергии и закона сохранения суммарного количества движения, показывает, что если тело малой массы m сталкивается упруго с телом во много раз большей массы M , то относительная доля кинетической энергии, которую легкое тело в состоянии передать тяжёлому, не может превысить . Отношение массы электрона к массе иона равно 1 : 1840 A , где A – атомный вес вещества, которому принадлежат ионы. Следовательно наибольшая величина, передаваемой энергии соствляет всего . Поэтому электрон должен испытать очень много столкновений с ионами, для того, чтобы полностью отдать имеющийся у него излишек энергии. Поскольку параллельно процессам, при которых происходит обмен энергией между электронами и ионами, идёт процесс приобретения энергии электронами от источников электрического тока, питающего разряд, в плазме при газовом разряде всё время поддерживаеться большой перепад температу между электронами и ионами. Так, например, в упоминавшихся выше газоразрядных приборах величина T e обычно лежит в пределах нескольких десятков тысяч градусов, в то время как величины T i и T 0 не превышают одной-двух тысяч градусов. При дуговом разряде, который используется в электросварке, электронная и ионная температуры ближе друг к другу вследствие того, что в этом случае разряд происходит в газе с большой плотностью и частые столкновения между электронами и ионами быстро выравнивают разность температур. При некоторых специальных условиях в сильно ионизированной плазме ионная температура может значительно превысить электронную. Такие условия возникают, например, при кратковременных разрядах большой мощности в экспериментальных установках. Например, можно взять угольные электроды, создать высокое давление, и подвести ток большой силы. В этом случае в узком межэлектродном пространстве возникнет сильно ионизированная плазма при температуре 50 000 K.

Следует также рассмотреть особенности движения частиц пла змы. Движения частиц обычного газа ограничиваются только столкновениями между собой или со стенками сосуда, в котором находиться этот газ. Движение частиц плазмы может быть ограничено магнитным полем. Плазму можно сдерживать магнитной стенкой, толкать магнитным поршнем, запирать в магнитной ловушке. В сильном магнитном поле частицы плазмы крутятся вокруг магнитных силовых линий. Вдоль магнитного поля частица движется свободно. Подробнее об этом будет рассказано ниже.

Квазинейтральность плазмы.

Даже в том случае, если плазма образуется в результате иони зации химически простого газа, например азота, кислорода, паров ртути, её ионная компонента будет содержать ионы различных сортов – с одним, двумя, тремя или более электронными зарядами. Следует отметить, что кроме атомарных ионов могут присутствовать молекулярные ионы, а также нейтральные атомы и молекулы. Каждая из этих компонент будет характеризоваться своей концентрацией n и температурой T . В общем случае, когда в плазме присутствуют однозарядные ионы с концентрацией n 1 , двухзарядные – с концентрацией n 2 , трёхзарядные – с концентрацией n 3 и т.д., можно записать равенство: n e = n 1 + 2n 2 + 3n 3 + … Такое соотношение между концентрацией отрицательных и положительных зарядов в плазме говорит о том, что плазма в целом квазинейтральна, т.е. в ней нет заметного избытка зарядов одного знака над зарядами другого. На этом свойстве плазмы следует остановиться несколько подробнее, т.к. оно имеет существенное значение и, в конечном счёте, в нём содержится самоё определение понятия “плазма”. Естественно возникает вопрос: “С какой степенью точности в ионизированном газе должно соблюдаться условие квазинейтральности?”. Каким бы путём не создавалась ионизация, заранее совсем не очевидно, что положительных и отрицательных зарядов должно быть поровну. Из-за различия в скоростях движения электронов и ионов, первые могут с большей лёгкостью покидать объём, в котором они возникли. Поэтому если благодаря процессам ионизации атомов первоначально образуется одинаковое количество зарядов противоположного знака, то из-за быстрого исчезновения электронов, погибающих на стенках аппаратуры, внутри которой находиться ионизированный газ, ионы, казалось бы, должны оставаться в значительном большинстве, т.е. не о какой нейтральности не может быть и речи. С другой стороны, необходимо учесть, что при преимущественной утечке зарядов одного знака в ионизированном газе немедленно образуется избыток зарядов другого знака, который способствует выравниванию потока электронов и ионов и препятствует увеличению разницы между концентрациями частиц обоих знака. Условия, при которых этот эффект будет достаточен для того, чтобы поддерживать квазинейтральность, можно описать следующим образом.

Допустим для простоты, что в ионизированном газе присут ствуют кроме ионов только однозарядные ионы. Квазинейтральность означает, что n e очень мало отличается от n i . Как отразиться на поведении отдельных частиц заметное отклонение n e от n i ? Здесь сразу же выделяются два крайних случая. Если число заряженных частиц в объёме невелико, то создаваемые ими электрические поля слишком слабы для того, чтобы повлиять на их движение, даже если все поля складываются. В этом случае отдельные электроны и ионы в своём поведении никак не связаны друг с другом и каждая частица движется так, как будто все другие отсутствуют. Следовательно условие квазинейтральности здесь не обязательно выполняется. Противоположный случай ионизированному газу с высокой концентрацией заряженных частиц, занимающему большой объём. В этом случае избыточные заряды, возникающие при сильном нарушении равенства между n e и n i , создают электрические поля, достаточные для выравнивания потоков и восстановления квазинейтральности.

В конечном счёте всё зависит от соотношения между потен циальной энергией отдельного иона или электрона в электрическом поле, возникающем при нарушении квазинейтральности, и величиной средней кинетической энергии частиц, связанной с их тепловым движением.

До сих пор речь шла о газовой плазме. Однако плазменные явления возникают часто в объектах, казалось бы, далёких от газов.

Остановимся, например, на металлах или полупроводниках. По современным представлениям их структура такова: есть решётка, состоящая из упорядоченно расположенных частиц – ионов или нейтральных частиц, и есть газ хаотически перемещающихся носителей электричества, называемых электронами (заряд отрицательный) и дырками (заряд положительный). Электроны и дырки в твёрдых телах не являются частицами в полном смысле этого слова: в свободном состоянии именно таких частиц (т.е. с соответствующими зарядом и массой) нет. Тем не менее уравнения, описывающие их движение, подобны уравнениям, описывающим движения обычных частиц – с той разницей, что роль массы здесь играют некоторые величины, зависящие от структуры вещества. Эти величины обычно именуют эффективными массами электронов и дырок. Поэтому электроны и дырки в твёрдых телах именуют квазичастицами (лат. quasi – почти). Поскольку поведение заряженных квазичастиц аналогично поведению электронов и ионов, то и свойства газа электронов и дырок сходны со свойствами газовой плазмы. Отсюда и название такой системы – твёрдотельная плазма.

Движение частиц плазмы.

Хотя мы можем рассматривать плазму как некоторую частную форму газовой смеси (в простейшем случае как смесь двух компонент: электронного и ионного газа), однако по целому ряду основных физических свойств она отличается от обычного газа, содержащего лишь нейтральные частицы. Это различие проявляется прежде всего в поведении плазмы под действием электрических и магнитных полей. В противоположность обычному нейтральному газу, на который электрические и магнитные поля не оказывают заметного воздействия, плазма под действием таких полей может очень сильно изменять свои свойства. Под действием электрического поля (даже очень слабого) в плазме появляется электрический ток. В магнитном поле плазма ведёт себя, как очень своеобразное диамагнитное вещество. Плазма может также интенсивно взаимодействовать с электромагнитными волнами. В частности, это находит выражение в том, что радиоволны могут отражаться от плазмы, как от зеркала.

Попытаемся сначала нарисовать самую общую картину движе ния заряженной частицы в плазме. Путь каждого иона или электрона можно сначала очень грубо представить себе состоящим из отрезков, на протяжении которых частица движется свободно, не испытывая взаимодействия с соседями. Эти участки свободного движения частиц прерываются кратковременными столкновениями, в результате которых направление движения меняется. В промежутках между двумя последовательными столкновениями частица движется под действием того общего электрического или магнитного поля, которое создано в плазме за счёт внешних источников. Это очень упрощённая картина поведения частицы, и она нуждается в серьёзных поправках, учитывающих основные особенности плазмы, которые проявляются прежде всего в характере её собственного электрического поля, существующего независимо от внешних источников. Каждая заряженная частица создаёт вокруг себя электрическое поле с радиально расходящимися от неё силовыми линиями. Поля от отдельных с зарядами разных знаков, складываясь между собой, в среднем компенсируют друг друга. Однако это не означает, что в каждый данный момент времени электрическое поле в какой-либо выбранной нами точке в точности равно нулю. Поле в любой точке плазмы в действительности очень быстро изменяется и по величине, и по направлению, и эти хаотические колебания дают нуль, только если рассчитывать среднюю величину напряжённости поля за достаточно длинный интервал времени.

Напряжённость собственного электрического поля плазмы ис пытывает сильные хаотичес- кие колебания как во времени, так и в пространстве, быстро изменяясь на очень малых расстояниях.

Заряженная частица, находящаяся в электрическом поле, движется по законам, напоминающим обычные законы движения тел в поле тяжести.

Обратимся к рисунку, на котором показаны траектории заряженных частиц в электрическом поле, направленном по вертикальной оси. Стрелки изображают скорости движения частиц в некоторый момент времени. Сила, действующая на заряженную частицу, равна qE , где q – заряд и E – напряжённость поля. Для однозарядных частиц q = ± e , где e – элементарный электрический заряд, а для многозарядных ионов q представляет собой небольшое целое, кратное e ( e= к ). Под действием этой силы однозарядный положительный ион с массой m i приобретает ускорение , которое направленно вдоль вертикальной оси вверх. Ускорение электрона направлено вниз и численно равно , где m e – масса электрона. Электрон гораздо легче иона, и поэтому ускорение, которое получает электрон, во много раз больше, чем ускорение иона. Траектория заряженной частицы в однородном электрическом поле всегда составляет собой пораболу. Форма этой пораболы зависит от свойств частицы, начальных условий движения и величины E . Пусть, например, электрическое поле направленно по оси y , а начальная скорость v 0 – вдоль оси x (траектория I на рисунке). В этом случае движение частицы по оси x будет равномерным, а по оси y – равноускоренным.

Применение плазмы в науке и технике.

Электрическая дуга – наиболее подходящая среда для таких реакций, которые не могут протекать в обычных условиях по термодинамическим причинам. Можно зажечь плазму в кислороде и использовать высокую реакционную способность получающегося при этом озона. В азотной плазме можно получить такие экзотические соединения, как тетрафторид азота N 2 F 4 или нитрид титана TiN. Водородная плазма проявляет восстанавливающее действие, поэтому её можно применять для вскрытия железных руд. Продолжительность реакций в высокотемпературной плазме крайне мала. Метан, например, при 4 800 – 5 300 K за 1/10000 c на 75 - 80% превращается в ацителен. Главным преимуществом методов плазмохимии является то, что состав исходного сырья может колебаться в широких пределах. Реакции могут протекать и в холодной плазме при температурах ниже 400 K. Интересным примером может послужить азотирование в тлеющем разряде, применяемое для поверхностного упрочнения стали.

Плазма – ещё малоизученный объект не только в физике, но и в химии (плазмохимии), астрономии и многих других науках. Поэтому важнейшие технические положения физики плазмы до сих пор не вышли из стадии лабораторной разработки. В настоящее время плазма активно изучается т.к. имеет огромное значение для науки и техники. Эта тема интересна ещё и тем, что плазма – четвёртое состояние вещества, о существовании которого люди не подозревали до XX века. Возможно, что плазма и есть тот первоэлемент, который так упорно искали алхимики средних веков?

Использованная литература:

Арцимович Л.А. Элементарная физика плазмы, М, Атомиздат, 1966.
Вурзель Ф.Б., Полак Л.С. Плазмохимия, М, Знание, 1985.
Ораевский Н.В. Плазма на Земле и в космосе, К, Наукова думка, 1980.
Поллер З. Химия на пути в третье тысячелетие, М, Мир, 1982.
Франк-Каменецкий Д.А. Плазма – четвёртое состояние вещества, М, Атомиздат, 1975.
Энциклопедический словарь юного физика, 3 изд., М, Педагогика-Пресс, 1995.

ref.repetiruem.ru

Доклад - Плазма – четвертое состояние вещества

ГИМНАЗИЯ №11

РЕФЕРАТ

на тему

«Плазма – четвертое состояние вещества»

Выполнил: ученик 10 Б класса

Грибанов Кирилл

г.Одинцово 2001 г.

ЧТО ТАКОЕ ПЛАЗМА

Английский физик Уильям Крукс (1832—1919), изучавший электрический разряд в трубках с разрежённым воздухом, писал: «Явления в откачанных трубках открывают для физической науки новый мир, в котором материя может существовать в четвёртом состоянии».

В зависимости от температуры любое вещество изменяет своё состояние. Так, вода при отрицательных (по Цельсию) температурах находится в твёрдом состоянии, в интервале от 0 до 100 " С — в жидком, выше 100 °С—в газообразном. Если температура продолжает расти, атомы и молекулы начинают терять свои электроны — ионизуются и газ превращается в плазму. При температурах более 1 000 000 °С плазма абсолютно ионизована — она состоит только из электронов и положительных ионов. Плазма — наиболее распространённое состояние вещества в природе, на неё приходится около 99 % массы Вселенной. Солнце, большинство звёзд, туманности — это полностью ионизованная плазма. Внешняя часть земной атмосферы (ионосфера) тоже плазма.

Ещё выше располагаются радиационные пояса, содержащие плазму. Полярные сияния, молнии, в том числе шаровые, — всё это различные виды плазмы, наблюдать которые можно в естественных условиях на Земле. И лишь ничтожную часть Вселенной составляет вещество в твёрдом состоянии — планеты, астероиды и пылевые туманности.

Под плазмой в физике понимают газ, состоящий из электрически заряженных и нейтральных част иц, в котором суммарный электрический заряд равен нулю, т. с. выполнено условие квазинейтральности (поэтому, например, пучок электронов, летящих в вакууме, не плазма: он несет отрицательный заряд).

КАК ИСПОЛ ЬЗУЮТ ПЛАЗМУ

Наиболее широко плазма применяется в светотехнике — в газоразрядных лампах, освещающих улицы, и лампах дневного света, используемых в помещениях. А кроме того, в самых разных газоразрядных приборах: выпрямителях электрического тока, стабилизаторах напряжения, плазменных усилителях и генераторах сверхвысоких частот (СВЧ), счётчиках космических частиц.

Все так называемые газовые лазеры (гелий-неоновый, криптоновый, на диоксиде углерода и т. п.) на самом деле плазменные: газовые смеси в них ионизованы электрическим разрядом.

Свойствами, характерными для плазмы, обладают электроны проводимости в металле (ионы, же стко закрепле нные в кристаллической решётке, нейтрализуют их заряды), совокупность свободных электронов и подвижных «дырок» (вакансий) в полупроводниках. Поэтому такие системы называют плазмой твёрдых тел

Газовую плазму принято разделять на низкотемпературную — до 100 тыс. градусов и высокотемпературную — до 100 млн градусов. Существуют генераторы низкотемпературной плазмы — плазмотроны, в которых используется электрическая дуга. С помощью плазмотрона можно нагреть почти любой газ до 7000—10000 градусов за сотые и тысячные доли секунды. С созданием плазмотрона возникл а новая область науки — плазменная химия: многие химические реакции ускоряются или идут только в плазменной струе. Плазмотроны применяются и в горно-рудной промышленности, и для резки металлов.

Созданы также плазменные двигатели, магнитогидродинамические электростанции. Разрабатываются различные схемы плазменного ускорения заряженных частиц. Централь ной задачей физики плазмы является проблема управляемого термоядерного синтеза.

Термоядерными называют реакции синтеза более тяжёлых ядер из ядер лё гких элементов (в первую очередь изотопов водорода — дейтерия D и трития Т), протекающие при очень в ысоких температурах (» 1 08 К и выше)

В естественных условиях термоядерные реакции происходят на Солнце: ядра водорода соединяются друг с другом, образуя ядра гелия, при этом выделяется значительное количество энергии. Искусственная реакция термоядерного син теза была осуществлена в водородной бом бе.

УПРАВЛЯЕМ ЫЕ Т ЕРМ ОЯД ЕРНЫЕ РЕАКЦ ИИ

Считается, что запасов химически топлива человечеству хватит на несколько десятков лет. Ограниченны и разведанные запасы ядерного горю чего. Спасти человечество от энергетич еского голода и стать практи чески неисчерпаемым источником энергии могут управл яемы е термо ядерные реакции в плазме.

В 1 л обычной воды содержится 0,15 мл воды тяжёлой (D 2 O). При слиянии ядер дейтерия из 0,15 мл D2 O выделяется столько же энергии, сколько её образ уется при сгорании 300 л бензина. Тритий в природе практически не существует, однако его можно получить, бомбардируя нейтронами n изотоп лития:

n+7 Li ® 4 He + T

Ядро атома водорода не что иное как протон p. В ядре дейтерия содержится, кроме того, ещё один нейтрон, а в ядре трития — два нейтрона. Дейтерий и тритий могут реагировать друг с другом десятью разными способами. Но вероятности такой реакций различаются порой в сотни триллионов раз, а количество выде ляющейся энергии — в 10—15 раз. Практический интерес представляют только три из них:

D + D ® T + p + 4МэВ ;

D + D ® 3 He + n + 3,3МэВ;

D + T ® 4 He + n + 17,6МэВ.

Если все ядра в каком-то объёме одновременно вступают в реакцию, энергия выделяется мгновенно. Происходит термоядерный взрыв. В реакторе же реакция синтеза должна протекать медленно.

Осуществить управляемый термоядерный синтез до сих пор не удалось, а преимущества он сулит немалые. Энергия, которая выделяется при термоядерных реакциях на единицу массы топлива, в миллионы раз превышает энергию химического топлива и, значит, в сотни раз дешевле. В термоядерной энергетике нет выброса продуктов сгорания в атмосферу и радиоактивных отходов. Наконец, на термоядерной электростанции исключен взрыв.

Во время синтеза основная часть энергии (более 75 %) выделяется в виде кинетической энергии нейтронов или протонов. Если замедлить нейтроны в подходящем веществе, оно нагревается; полученную теплоту легко превратить в электрическую энергию. Кинетическая энергия заряженных частиц — протонов — преобразуется в электричество непосредственно.

В реакции синтеза ядра Должны соединяться, но они заряжены положительно и, следовательно, по закону Кулона, отталкиваются. Чтобы преодолеть силы отталкивания, даже ядрам дейтерия и трития, имеющим наименьший заряд (Z. = 1), необходима энергия около 10 или 100 кэВ. Ей соответствует температура порядка 108 —109 К. При таких температурах любое вещество находится в состоянии высокотемпературной плазмы.

С позиций классической физики реакция синтеза невозможна, но здесь на помощь приходит чисто квантовый - туннельный эффект. Вычислено, что температура зажигания, начиная с которой выделение энергии превосходит её потери, для реакции дейтерий— тритий (D Т) равна приблизительно 4,5* 107 К, а для реакций дейтерий—дейтерий (DD ) — около 4* 108 К. Естественно, предпочтительнее реакция D Т. Нагревают плазму электрическим током, лазерным излучением, электромагнитными волнами и другими способами. Но важна не только высокая температура.

Чем выше концентрация, тем чаще сталкиваются друг с другом частицы, поэтому может показаться, что для осуществления термоядерных реакций лучше использовать плазму высокой плотности. Однако, если бы в 1 см3 плазмы содержалось 1019 частиц (концентрация молекул в газе при нормальных условиях), давление в ней при температурах термоядерных реакций достигало бы порядка 106 атм. Такого давления не выдерживает ни одна конструкция, а потому плазма должна быть разрежённой (с концентрацией около 1015 частиц в 1 см3 ). Соударения частиц в этом случае происходят реже, и для поддержания реакции необходимо увеличивать время пребывания их в реакторе, или время удержания. Значит, для осуществления термоядерной реакции необходимо рассматривать произведение концентрации частиц плазмы на время их удержания. Для реакций DD это произведение (так называемый критерий Лоусона) равно 1016 с/см3, а для реакции DТ — 1014 с/см3. Следовательно, реакцию DТ реализовать легче, чем DD.

Когда начинались исследования плазмы, казалось, что осуществить управляемый синтез удастся быстро. Но со временем выяснилось, что в высокотемпературной плазме происходят сложные процессы и решающую роль играют многочисленные неустойчивости. Сегодня разрабатывается несколько типов устройств, в которых предполагается провести термоядерный синтез. Наиболее перспективными считаются токамаки (сокращение от «ТОроидальная КАмера с Магнитными КАатушками»). Токамак представляет собой гигантский трансформатор, первичная катушка которого намотана на сердечник, а вторичная имеет единственный виток — вакуумную камеру в форме бублика, тора (от лат. TORUS — «выпуклость»), с плазменным шнуром внутри. Система магнитов удерживает шнур в центре камеры, а ток силой в тысячи ампер нагревает его до требуемой температуры. Нейтроны, образующиеся в ходе термоядерной реакции, поглощаются в бланкете — слое вещества, окружающем камеру. Выделяющееся при этом тепло можно использовать для получения электроэнергии.

Несмотря на кажущуюся простоту токамака, ни одно устройство подобного типа не дало положительного выхода энергии. Большие надежды возлагаются на проектируемый в настоящее время гигантский токамак ITER. На этой установке, если она будет сооружена к 2005 г., предполагаемая мощность выхода 1,5 • 109 Вт. Среди других проектов следует отметить два: стеллараторы и устройства инерциального удержания плазмы.

Магнитное поле сложной формы, удерживающее плазму в круговой камере токамака, противодействует собственному полю плазменногошнура, которое стремится изогнуть траекторию заряженных частиц плазмы. В стеллараторе (от лат. STELLA — З везда») плазме позволили принять форму, какую она «хочет», и оставили только поле, сжимающее шнур. Вакуумная камера приобрела весьма причудливый вид, а множество магнитных катушек — довольно сложную форму. Эксперименты на стеллараторах идут в разных странах, но добиться нужной температуры и времени удержания плазмы пока не удалось.

Принципиально иным является метод инерциального удержания п лазм ы, основанный на инерции реакционной смеси, которая при мгнов енном нагреве (например, лазерным ( импульсом) ра злетается не сразу. Ампу лу, где нах одится смесь дейтерия с тритием, облучают со всех сторон { лазерными импульсами длительно стью до 10-10 с и суммарной мощно стью порядка 1020 Вт/см. Оболочка ампулы испаряется, расширяющиеся газы и световое давление сжимают её содержимое почти в 50 тыс. раз. Давле ние в смеси возрастает до 1 млн. атм, а её плотность — до 50—100 г/см3 . При таких условиях начинается термоядерная реакция.

Но и на этом пути имеется ряд технологических трудностей, пока не позволяющих превратить экспериментальные лазерные установки в промышленные реакторы.

www.ronl.ru

Реферат на тему: Плазма

Словом «плазма» (от греч. «плазма» — «оформленное») в середине XIX в. стали именовать бесцветную часть крови (без красных и белых телец) и жидкость, наполняющую живые клетки. В 1929 г. американские физики Ирвинг Лёнгмюр (1881—1957) и Леви Тонко (1897—1971) назвали плазмой ионизованный газ в газоразрядной трубке. Английский физик Уильям Крукс (1832—1919), изучавший электрический разряд в трубках с разрежённым воздухом, писал: «Явления в откачанных трубках открывают для физической науки новый мир, в котором материя может существовать в четвёртом состоянии». В зависимости от температуры любое вещество изменяет своё состояние. Так, вода при отрицательных (по Цельсию) температурах находится в твёрдом состоянии, в интервале от 0 до 100 "С - в жидком, выше 100 °С—в газообразном. Если температура продолжает расти, атомы и молекулы начинают терять свои электроны — ионизуются и газ превращается в плазму. При температурах более 1 000 000 °С плазма абсолютно ионизована — она состоит только из электронов и положительных ионов. Плазма — наиболее распространённое состояние вещества в природе, на неё приходится около 99 % массы Вселенной. Солнце, большинство звёзд, туманности — это полностью ионизованная плазма. Внешняя часть земной атмосферы (ионосфера) тоже плазма. Ещё выше располагаются радиационные пояса, содержащие плазму. Полярные сияния, молнии, в том числе шаровые, — всё это различные виды плазмы, наблюдать которые можно в естественных условиях на Земле. И лишь ничтожную часть Вселенной составляет вещество в твёрдом состоянии — планеты, астероиды и пылевые туманности. Под плазмой в физике понимают газ, состоящий из электрически заряженных и нейтральных частиц, в котором суммарный электрический заряд равен нулю, т. с. выполнено условие квазинейтральности (поэтому, например, пучок электронов, летящих в вакууме, не плазма: он несет отрицательный заряд). ПЛАЗМА - частично или полностью ионизированный газ, в котором плотности положительных и отрицательных зарядов практически одинаковы. В лабораторных условиях плазма образуется в электрическом разряде в газе, в процессах горения и взрыва. Когда луч лазера сфокусировали линзой, в воздухе в области фокуса вспыхнула искра, и там образовалась плазма. Это вызвало огромный интерес у физиков. Первые затравочные электроны появляются в результате вырывания их из атомов среды после одновременного поглощения нескольких фотонов световой волны. Энергия каждого фотона рубинового лазера равна 1, 78 эВ. Далее свободный электрон, поглощая фотоны, достигает энергии 10 эВ, достаточной для ионизации и рождения нового электрона в процессе столкновения с атомами среды. Разряд может гореть в течение длительного времени и светится ослепительно белым светом, на него невозможно смотреть без тёмных очков. Необычайно высокая температура- уникальное свойство оптического заряда- представляет большие возможности для использования его в качестве источника света. Возможность создания плазменного шнура световым излучением лазера открывает возможности для передачи энергии на расстояние. Носителями заряда в плазме являются электроны и ионы, образовавшиеся в результате ионизации газа. Отношение числа ионизованных атомов к полному их числу в единице объема плазмы называют степенью ионизации плазмы (а). В зависимости от величины а говорят о слабо ионизованной (а - доли процента), частично ионизованной (а - несколько процентов) к полностью ионизованной (а близка к 100%) плазме. Средние кинетические энергии различных типов частиц, составляющих плазму, могут быть разными. Поэтому в общем случае плазму характеризуют не одним значением температуры, а несколькими - различают электронную температуру Те, ионную температуру Тi и температуру нейтральных атомов Та. Плазму с ионной температурой Тi 106 К - высокотемпературной. Высокотемпературная плазма является основным объектом исследования по УТС (управляемому термоядерному синтезу). Низкотемпературная плазма находит применение в газоразрядных источниках света, газовых лазерах, МГД - генераторах и др. Наиболее широко плазма применяется в светотехнике — в газоразрядных лампах, освещающих улицы, и лампах дневного света, используемых в помещениях. А кроме того, в самых разных газоразрядных приборах: выпрямителях электрического тока, стабилизаторах напряжения, плазменных усилителях и генераторах сверхвысоких частот (СВЧ), счётчиках космических частиц. Все так называемые газовые лазеры (гелий-неоновый, криптоновый, на диоксиде углерода и т. п.) на самом деле плазменные: газовые смеси в них ионизованы электрическим разрядом. Свойствами, характерными для плазмы, обладают электроны проводимости в металле (ионы, жестко закрепленные в кристаллической решётке, нейтрализуют их заряды), совокупность свободных электронов и подвижных «дырок» (вакансий) в полупроводниках. Поэтому такие системы называют плазмой твёрдых тел Газовую плазму принято разделять на низкотемпературную — до 100 тыс. градусов и высокотемпературную — до 100 млн градусов. Существуют генераторы низкотемпературной плазмы — плазмотроны, в которых используется электрическая дуга. С помощью плазмотрона можно нагреть почти любой газ до 7000—10000 градусов за сотые и тысячные доли секунды. С созданием плазмотрона возникла новая область науки — плазменная химия: многие химические реакции ускоряются или идут только в плазменной струе. Плазмотроны применяются и в горно-рудной промышленности, и для резки металлов. Созданы также плазменные двигатели, магнитогидродинамические электростанции. Разрабатываются различные схемы плазменного ускорения заряженных частиц. Центральной задачей физики плазмы является проблема управляемого термоядерного синтеза. Термоядерными называют реакции синтеза более тяжёлых ядер из ядер лёгких элементов (в первую очередь изотопов водорода - дейтерия D и трития Т), протекающие при очень высоких температурах (» 108 К и выше) В естественных условиях термоядерные реакции происходят на Солнце: ядра водорода соединяются друг с другом, образуя ядра гелия, при этом выделяется значительное количество энергии. Искусственная реакция термоядерного синтеза была осуществлена в водородной бомбе.

scholarum.ru

Плазма - четвертое состояние вещества

Агрегатные состояния вещества.

Агрегатные Состояния вещества, состояния одного и того же вещества, переходы между которыми сопровождаются скачкообразным изменением его свободной энергии, энтропии, плотности и других физических свойств. Все вещества (за некоторым исключением) могут существовать в трёх агрегатных состояниях - твёрдом, жидком и газообразном. Так, вода при нормальном давлении p= 10l 325 Па=760 мм ртутного столба и при температуре t=00 С. кристаллизуется в лёд, а при 100С кипит и превращается в пар. Четвёртым агрегатным состоянием вещества часто считают плазму. В отличие от других агрегатных состояний вещества плазма представляет собой газ заряженных частиц (ионов, электронов), которые электрически взаимодействуют друг с другом на больших расстояниях.

Что такое плазма?

ПЛАЗМА - частично или полностью ионизированный газ, в котором плотности положительных и отрицательных зарядов практически одинаковы. В лабораторных условиях плазма образуется в электрическом разряде в газе, в процессах горения и взрыва. Термин “плазма” в физике был введен в 1929 американскими учеными И.Ленгмюром и Л.Тонксом. Вещество, разогретое до температуры в сотни тысяч и миллионы градусов, уже не может состоять из обычных нейтральных атомов. При столь высоких температурах атомы сталкиваются друг с другом с такой силой, что не могут сохраниться в целостности. При ударе атомы разделяются на более мелкие составляющие - атомные ядра и электроны. Эти частицы наделены электрическими зарядами: электроны - отрицательным, а ядра - положительным. Смесь этих частиц, называемая плазма представляет собой своеобразное состояние вещества, которое очень сильно отличается от относительно холодного газа по свойствам. Под плазмой в физике понимают газ, состоящий из электрически заряженных и нейтральных частиц, в котором суммарный электрический заряд равен нулю, то есть, выполнено условие квазинейтральности. Средние кинетические энергии различных типов частиц, составляющих плазму, могут быть разными. Поэтому в общем случае плазму характеризуют не одним значением температуры, а несколькими различают электронную температуру Те, ионную температуру Тi и температуру нейтральных атомов Та. Плазму с ионной температурой Тi 106 К высокотемпературной. Высокотемпературная плазма является основным объектом исследования по УТС. Низкотемпературная плазма находит применение в газоразрядных источниках света, газовых лазерах.

Несколько свойств плазмы.

Степень ионизации

Степень ионизации определяется как отношение числа ионизованных частиц к общему числу частиц. Для низкотемпературных плазм характерны малые степени ионизации (<1%). Так как такие плазмы довольно часто употребляются в плазменных технологиях их иногда называют технологичными плазмами. Чаще всего их создают при помощи электрических полей, которые ускоряют электроны, которые в свою очередь ионизуют атомы. Электрические поля вводятся в газ посредством индуктивной или емкостной связи. Типичные применения низкотемпературных плазм включают плазменную модификацию свойств поверхности, плазменное травление поверхностей (полупроводниковая промышленность), очистка газов и жидкостей (озонирование воды и сжигание частичек сажи в дизельных двигателях). Горячие плазмы почти всегда полностью ионизованы (степень ионизации ~100%). Обычно именно они понимаются под четвертым агрегатным состоянием вещества. Примером может служить Солнце.

Плотность

Помимо температуры, которая имеет фундаментальную важность для самого существования плазмы, вторым наиболее важным свойством плазмы является плотность. Слово плотность плазмы обычно обозначает плотность электронов, т.е. число свободных электронов в единице объема (строго говоря, здесь, плотностью называют концентрацию не массу единицы объема, а число частиц в единице объема). Плотность ионов связана с ней посредством среднего зарядового числа ионов. Следующей важной величиной является плотность нейтральных атомов n0. В горячей плазме n0 мала, но может тем не менее быть важной для физики процессов в плазме.

Квазинейтральность

Так как плазма является очень хорошим проводником, электрические свойства имеют важное значение. Потенциалом плазмы или потенциалом пространства называют среднее значение электрического потенциала в данной точке пространства. В случае если в плазму внесено какое-либо тело, его потенциал в общем случае будет меньше потенциала плазмы вследствие возникновения дебаевского слоя. Такой потенциал называют плавающим потенциалом. По причине хорошей электрической проводимости плазма стремится экранировать все электрические поля. Это приводит к явлению квазинейтральности плотность отрицательных зарядов с хорошей точностью равна плотности положительных зарядов. В силу хорошей электрической проводимости плазмы разделение положительных и отрицательных зарядов невозможно на расстояниях больших дебаевской длины и временах больших периода плазменных колебаний. Примером неквазинейтральной плазмы является пучок электронов. Однако плотность не-нейтральных плазм должна быть очень мала, иначе они быстро распадутся за счет кулоновского отталкивания.

Получение плазмы.

Чтобы перевести газ в состояние плазмы, нужно оторвать хотя бы часть электр

www.studsell.com

Реферат Плазма

скачать

Реферат на тему:

План:

1 Формы плазмы
2 Свойства и параметры плазмы
- 2.1 Определение плазмы
- 2.2 Классификация
- 2.3 Температура
- 2.4 Степень ионизации
- 2.5 Плотность
- 2.6 Квазинейтральность
3 Отличия от газообразного состояния
4 Сложные плазменные явления
5 Математическое описание
- 5.1 Флюидная (жидкостная) модель
- 5.2 Кинетическое описание
- 5.3 Particle-In-Cell (частица в ячейке)
6 Базовые характеристики плазмы
- 6.1 Частоты
- 6.2 Длины
- 6.3 Скорости
- 6.4 Безразмерные величины
- 6.5 Прочее
7 Современные исследования

Введение

Плазменная лампа, иллюстрирующая некоторые из наиболее сложных плазменных явлений, включая филаментацию. Свечение плазмы обусловлено переходом электронов из высокоэнергетического состояния в состояние с низкой энергией после рекомбинации с ионами. Этот процесс приводит к излучению со спектром, соответствующим возбуждаемому газу.

Пла́зма (от греч. πλάσμα «вылепленное», «оформленное») — в физике и химии полностью или частично ионизированный газ, который может быть как квазинейтральным, так и неквазинейтральным. Плазма иногда называется четвёртым (после твёрдого, жидкого и газообразного) агрегатным состоянием вещества.

Слово «ионизированный» означает, что от электронных оболочек значительной части атомов или молекул отделён по крайней мере один электрон. Слово «квазинейтральный» означает, что, несмотря на наличие свободных зарядов (электронов и ионов), суммарный электрический заряд плазмы приблизительно равен нулю. Присутствие свободных электрических зарядов делает плазму проводящей средой, что обуславливает её заметно большее (по сравнению с другими агрегатными состояниями вещества) взаимодействие с магнитным и электрическим полями. Четвёртое состояние вещества было открыто У. Круксом в 1879 году и названо «плазмой» И. Ленгмюром в 1928 году, возможно из-за ассоциации с плазмой крови. Ленгмюр писал:

Исключая пространство около электродов, где обнаруживается небольшое количество электронов, ионизированный газ содержит ионы и электроны практически в одинаковых количествах, в результате чего суммарный заряд системы очень мал. Мы используем термин «плазма», чтобы описать эту в целом электрически нейтральную область, состоящую из ионов и электронов.

Многие философы античности утверждали, что мир состоит из четырёх стихий: земли, воды, воздуха и огня. Это положение с учётом некоторых допущений укладывается в современное научное представление о четырёх агрегатных состояниях вещества, причем плазме, очевидно, соответствует огонь.[1] Свойства плазмы изучает физика плазмы.

1. Формы плазмы

По сегодняшним представлениям, фазовым состоянием большей части вещества (по массе ок. 99,9 %) во Вселенной является плазма.[2] Все звёзды состоят из плазмы, и даже пространство между ними заполнено плазмой, хотя и очень разреженной (см. межзвездное пространство). К примеру, планета Юпитер сосредоточила в себе практически все вещество Солнечной системы, находящееся в «неплазменном» состоянии (жидком, твердом и газообразном). При этом масса Юпитера составляет всего лишь около 0,1 % массы Солнечной системы, а объём — и того меньше: всего 10−15 %. При этом мельчайшие частицы пыли, заполняющие космическое пространство и несущие на себе определенный электрический заряд, в совокупности могут быть рассмотрены как плазма, состоящая из сверхтяжелых заряженных ионов (см. пылевая плазма).

Наиболее типичные формы плазмы
Искусственно созданная плазма Плазменная панель (телевизор, монитор) Вещество внутри люминесцентных (в том числе компактных) и неоновых ламп[3] Плазменные ракетные двигатели Газоразрядная корона озонового генератора Исследования управляемого термоядерного синтеза Электрическая дуга в дуговой лампе и в дуговой сварке Плазменная лампа (см. рисунок) Дуговой разряд от трансформатора Теслы Воздействие на вещество лазерным излучением Светящаяся сфера ядерного взрыва	Земная природная плазма Молния Огни святого Эльма Ионосфера Языки пламени (низкотемпературная плазма)	Космическая и астрофизическая плазма Солнце и другие звезды (те, которые существуют за счет термоядерных реакций) Солнечный ветер Космическое пространство (пространство между планетами, звездами и галактиками) Межзвездные туманности

2. Свойства и параметры плазмы

2.1. Определение плазмы

Плазма — частично или полностью ионизированный газ, в котором плотности положительных и отрицательных зарядов практически одинаковы.[4] Не всякую систему заряженных частиц можно назвать плазмой. Плазма обладает следующими свойствами:[5][6][7]

Достаточная плотность: заряженные частицы должны находиться достаточно близко друг к другу, чтобы каждая из них взаимодействовала с целой системой близкорасположенных заряженных частиц. Условие считается выполненным, если число заряженных частиц в сфере влияния (сфера радиусом Дебая) достаточно для возникновения коллективных эффектов (подобные проявления — типичное свойство плазмы). Математически это условие можно выразить так:

, где — концентрация заряженных частиц.

Приоритет внутренних взаимодействий: радиус дебаевского экранирования должен быть мал по сравнению с характерным размером плазмы. Этот критерий означает, что взаимодействия, происходящие внутри плазмы более значительны по сравнению с эффектами на ее поверхности, которыми можно пренебречь. Если это условие соблюдено, плазму можно считать квазинейтральной. Математически оно выглядит так:

Плазменная частота: среднее время между столкновениями частиц должно быть велико по сравнению с периодом плазменных колебаний. Эти колебания вызываются действием на заряд электрического поля, возникающего из-за нарушения квазинейтральности плазмы. Это поле стремится восстановить нарушенное равновесие. Возвращаясь в положение равновесия, заряд проходит по инерции это положение, что опять приводит к появлению сильного возвращающего поля, возникают типичные механические колебания.[8] Когда данное условие соблюдено, электродинамические свойства плазмы преобладают над молекулярно-кинетическими. На языке математики это условие имеет вид:

2.2. Классификация

Плазма обычно разделяется на идеальную и неидеальную, низкотемпературную и высокотемпературную, равновесную и неравновесную, при этом довольно часто холодная плазма бывает неравновесной, а горячая равновесной.

2.3. Температура

При чтении научно-популярной литературы читатель зачастую видит значения температуры плазмы порядка десятков, сотен тысяч или даже миллионов °С или К. Для описания плазмы в физике удобно измерять температуру не в °С, а в единицах измерения характерной энергии движения частиц, например, в электрон-вольтах (эВ). Для перевода температуры в эВ можно воспользоваться следующим соотношением: 1 эВ = 11600 K (Кельвин). Таким образом становится понятно, что температура в «десятки тысяч °С» достаточно легко достижима.

В неравновесной плазме электронная температура существенно превышает температуру ионов. Это происходит из-за различия в массах иона и электрона, которое затрудняет процесс обмена энергией. Такая ситуация встречается в газовых разрядах, когда ионы имеют температуру около сотен, а электроны около десятков тысяч K.

В равновесной плазме обе температуры равны. Поскольку для осуществления процесса ионизации необходимы температуры, сравнимые с потенциалом ионизации, равновесная плазма обычно является горячей (с температурой больше нескольких тысяч K).

Понятие высокотемпературная плазма употребляется обычно для плазмы термоядерного синтеза, который требует температур в миллионы K.

2.4. Степень ионизации

Для того, чтобы газ перешел в состояние плазмы, его необходимо ионизировать. Степень ионизации пропорциональна числу атомов, отдавших или поглотивших электроны, и больше всего зависит от температуры. Даже слабо ионизированный газ, в котором менее 1 % частиц находятся в ионизированном состоянии, может проявлять некоторые типичные свойства плазмы (взаимодействие с внешним электромагнитным полем и высокая электропроводность). Степень ионизации α определяется как α = ni/(ni + na), где ni — концентрация ионов, а na — концентрация нейтральных атомов. Концентрация свободных электронов в незаряженной плазме ne определяется очевидным соотношением: ne=<Z> ni, где <Z> — среднее значение заряда ионов плазмы.

Для низкотемпературной плазмы характерна малая степень ионизации (до 1 %). Так как такие плазмы довольно часто употребляются в технологических процессах, их иногда называют технологичными плазмами. Чаще всего их создают при помощи электрических полей, ускоряющих электроны, которые в свою очередь ионизируют атомы. Электрические поля вводятся в газ посредством индуктивной или емкостной связи (см. индуктивно-связанная плазма). Типичные применения низкотемпературной плазмы включают плазменную модификацию свойств поверхности (алмазные пленки, нитридирование металлов, изменение смачиваемости), плазменное травление поверхностей (полупроводниковая промышленность), очистку газов и жидкостей (озонирование воды и сжигание частичек сажи в дизельных двигателях).

Горячая плазма почти всегда полностью ионизирована (степень ионизации ~100 %). Обычно именно она понимается под «четвертым агрегатным состоянием вещества». Примером может служить Солнце.

2.5. Плотность

Помимо температуры, которая имеет фундаментальную важность для самого существования плазмы, вторым наиболее важным свойством плазмы является плотность. Словосочетание плотность плазмы обычно обозначает плотность электронов, то есть число свободных электронов в единице объема (строго говоря, здесь, плотностью называют концентрацию — не массу единицы объема, а число частиц в единице объема). В квазинейтральной плазме плотность ионов связана с ней посредством среднего зарядового числа ионов : . Следующей важной величиной является плотность нейтральных атомов n0. В горячей плазме n0 мала, но может тем не менее быть важной для физики процессов в плазме. При рассмотрении процессов в плотной, неидеальной плазме характерным параметром плотности становится rs, который определяется как отношение среднего межчастичного расстояния к радиусу Бора.

2.6. Квазинейтральность

Так как плазма является очень хорошим проводником, электрические свойства имеют важное значение. Потенциалом плазмы или потенциалом пространства называют среднее значение электрического потенциала в данной точке пространства. В случае если в плазму внесено какое-либо тело, его потенциал в общем случае будет меньше потенциала плазмы вследствие возникновения дебаевского слоя. Такой потенциал называют плавающим потенциалом. По причине хорошей электрической проводимости плазма стремится экранировать все электрические поля. Это приводит к явлению квазинейтральности — плотность отрицательных зарядов с хорошей точностью равна плотности положительных зарядов (). В силу хорошей электрической проводимости плазмы разделение положительных и отрицательных зарядов невозможно на расстояниях больших дебаевской длины и временах больших периода плазменных колебаний.

Примером неквазинейтральной плазмы является пучок электронов. Однако плотность не-нейтральных плазм должна быть очень мала, иначе они быстро распадутся за счёт кулоновского отталкивания.

3. Отличия от газообразного состояния

Плазму часто называют четвертым состоянием вещества. Она отличается от трёх менее энергетичных агрегатных состояний материи, хотя и похожа на газовую фазу тем, что не имеет определённой формы или объема. До сих пор идёт обсуждение того, является ли плазма отдельным агрегатным состоянием, или же просто горячим газом. Большинство физиков считает, что плазма является чем-то большим, чем газ по причине следующих различий:

Свойство Газ Плазма Электрическая проводимость Число сортов частиц Распределение по скоростям Тип взаимодействий

Крайне малаК примеру, воздух является превосходным изолятором до тех пор, пока не переходит в плазменное состояние под действием внешнего электрического поля напряженностью в 30 киловольт на сантиметр.[9]	Очень высока Несмотря на то, что при протекании тока возникает хотя и малое, но тем не менее конечное падение потенциала, во многих случаях электрическое поле в плазме можно считать равным нулю. Градиенты плотности, связанные с наличием электрического поля, могут быть выражены через распределение Больцмана. Возможность проводить токи делает плазму сильно подверженной влиянию магнитного поля, что приводит к возникновению таких явлений как филаментирование, появление слоев и струй. Типичным является наличие коллективных эффектов, так как электрические и магнитные силы являются дальнодействующими и гораздо сильнее, чем гравитационные.
ОдинГазы состоят из подобных друг другу частиц, которые движутся под действием гравитации, а друг с другом взаимодействуют только на сравнительно небольших расстояниях.	Два, или три, или болееЭлектроны, ионы и нейтральные частицы различаются знаком эл. заряда и могут вести себя независимо друг от друга — иметь разные скорости и даже температуры, что служит причиной появления новых явлений, например волн и неустойчивостей.
МаксвелловскоеСтолкновения частиц друг с другом приводит к максвелловскому распределению скоростей, согласно которому очень малая часть молекул газа имеют относительно большие скорости движения.	Может быть немаксвелловское Электрические поля имеют другое влияние на скорости частиц чем столкновения, которые всегда ведут к максвеллизации распределения по скоростям. Зависимость сечения кулоновских столкновений от скорости может усиливать это различие, приводя к таким эффектам, как двухтемпературные распределения и убегающие электроны.
БинарныеКак правило двухчастичные столкновения, трёхчастичные крайне редки.	КоллективныеКаждая частица взаимодействует сразу со многими. Эти коллективные взаимодействия имеют гораздо большее влияние чем двухчастичные.

4. Сложные плазменные явления

Хотя основные уравнения, описывающие состояния плазмы, относительно просты, в некоторых ситуациях они не могут адекватно отражать поведение реальной плазмы: возникновение таких эффектов — типичное свойство сложных систем, если использовать для их описания простые модели. Наиболее сильное различие между реальным состоянием плазмы и ее математическим описанием наблюдается в так называемых пограничных зонах, где плазма переходит из одного физического состояния в другое (например, из состояния с низкой степенью ионизации в высокоионизационное). Здесь плазма не может быть описана с использованием простых гладких математических функций или с применением вероятностного подхода. Такие эффекты как спонтанное изменение формы плазмы являются следствием сложности взаимодействия заряженных частиц, из которых состоит плазма. Подобные явления интересны тем, что проявляются резко и не являются устойчивыми. Многие из них были изначально изучены в лабораториях, а затем были обнаружены во Вселенной.

5. Математическое описание

Плазму можно описывать на различных уровнях детализации. Обычно плазма описывается отдельно от электромагнитных полей. Совместное описание проводящей жидкости и электромагнитных полей даётся в теории магнитогидродинамических явлений или МГД теории.

5.1. Флюидная (жидкостная) модель

Во флюидной модели электроны описываются в терминах плотности, температуры и средней скорости. В основе модели лежат: уравнение баланса для плотности, уравнение сохранения импульса, уравнение баланса энергии электронов. В двухжидкостной модели таким же образом рассматриваются ионы.

5.2. Кинетическое описание

Иногда жидкостная модель оказывается недостаточной для описания плазмы. Более подробное описание даёт кинетическая модель, в которой плазма описывается в терминах функции распределения электронов по координатам и импульсам. В основе модели лежит уравнение Больцмана. Уравнение Больцмана неприменимо для описания плазмы заряженных частиц с кулоновским взаимодействием вследствие дальнодействующего характера кулоновских сил. Поэтому для описания плазмы с кулоновским взаимодействием используется уравнение Власова с самосогласованным электромагнитным полем, созданным заряженными частицами плазмы. Кинетическое описание необходимо применять в случае отсутствия термодинамического равновесия либо в случае присутствия сильных неоднородностей плазмы.

5.3. Particle-In-Cell (частица в ячейке)

Модели Particle-In-Cell являются более подробными, чем кинетические. Они включают в себя кинетическую информацию путём слежения за траекториями большого числа отдельных частиц. Плотности электрического заряда и тока определяются путём суммирования числа частиц в ячейках, которые малы по сравнению с рассматриваемой задачей, но, тем не менее, содержат большое число частиц. Электрическое и магнитное поля находятся из плотностей зарядов и токов на границах ячеек.

6. Базовые характеристики плазмы

Все величины даны в Гауссовых СГС единицах за исключением температуры, которая дана в eV и массы ионов, которая дана в единицах массы протона μ = mi / mp; Z — зарядовое число; k — постоянная Больцмана; К — длина волны; γ — адиабатический индекс; ln Λ — Кулоновский логарифм.

6.1. Частоты

Ларморова частота электрона, угловая частота кругового движения электрона в плоскости перпендикулярной магнитному полю:

Ларморова частота иона, угловая частота кругового движения иона в плоскости перпендикулярной магнитному полю:

плазменная частота (частота плазменных колебаний), частота с которой электроны колеблются около положения равновесия, будучи смещенными относительно ионов:

ионная плазменная частота:

частота столкновений электронов

частота столкновений ионов

6.2. Длины

Де-Бройлева длина волны электрона, длина волны электрона в квантовой механике:

минимальное расстояние сближения в классическом случае, минимальное расстояние на которое могут сблизиться две заряженных частицы при лобовом столкновении и начальной скорости, соответствующей температуре частиц, в пренебрежении квантово-механическими эффектами:

гиромагнитный радиус электрона, радиус кругового движения электрона в плоскости перпендикулярной магнитному полю:

гиромагнитный радиус иона, радиус кругового движения иона в плоскости перпендикулярной магнитному полю:

размер скин-слоя плазмы, расстояние на которое электромагнитные волны могут проникать в плазму:

Радиус Дебая (длина Дебая), расстояние на котором электрические поля экранируются за счёт перераспределения электронов:

6.3. Скорости

тепловая скорость электрона, формула для оценки скорости электронов при распределении Максвелла. Средняя скорость, наиболее вероятная скорость и среднеквадратичная скорость отличаются от этого выражения лишь множителями порядка единицы:

тепловая скорость иона, формула для оценки скорости ионов при распределении Максвелла:

скорость ионного звука, скорость продольных ионно-звуковых волн:

Альфвеновская скорость, скорость Альфвеновских волн:

6.4. Безразмерные величины

квадратный корень из отношения масс электрона и протона:

Число частиц в сфере Дебая:

Отношение Альфвеновской скорости к скорости света

отношение плазменной и ларморовской частот для электрона

отношение плазменной и ларморовской частот для иона

отношение тепловой и магнитной энергий

отношение магнитной энергии к энергии покоя ионов

6.5. Прочее

Бомовский коэффициент диффузии

Поперечное сопротивление Спитцера

7. Современные исследования

Теория плазмы
- Проблема устойчивости плазмы
- Взаимодействие плазмы с волнами и пучками
- диффузия, проводимость и другие кинетические явления в плазме
- Адиабатические инварианты
- Слой Дебая
- Кулоновские столкновения
- типы разрядов
  - тлеющий разряд
  - искровой разряд
  - коронный разряд
  - дуговой разряд
- магнитогидродинамика
Плазма в природе
- Ионосфера Земли
- Плазма в космосе, напр. плазмосфера Земли (внутренняя часть магнитосферы)
Источники плазмы
Диагностика плазмы
- Томсоновское рассеяние
- Зонды Ленгмюра
- Спектроскопия
- Интерферометрия
- Ионосферный нагрев
Применения плазмы
- МГД генератор
- магнетрон
- плазменная антенна
- плазма для атомизации и ионизации проб в спектроскопических методах
- Термоядерный синтез
  - Удержание в магнитных ловушках — токамак, стелларатор, обратный пинч, пробкотрон
  - Инерционный термоядерный синтез
- Ускорители
  - Кильватерное ускорение
- Промышленные плазмы
  - плазмохимия
  - плазменная обработка
  - плазменные дисплеи

wreferat.baza-referat.ru

Плазма – четвертое состояние вещества

ГИМНАЗИЯ №11

РЕФЕРАТ

на тему

«Плазма – четвертое состояние вещества»

Выполнил: ученик 10 Б класса

Грибанов Кирилл

г.Одинцово 2001 г.

ЧТО ТАКОЕ ПЛАЗМА

Английский физик УильямКрукс(1832—1919), изучавший электрический разряд в трубках с разрежённым воздухом, писал: «Явления в откачанных трубках открывают для физической науки новый мир, в котором материя может существовать в четвёртом состоянии».

В зависимости от температуры любое вещество изменяет своё состояние. Так, вода при отрицательных (по Цельсию) температурах находится в твёрдом состоянии, в интервале от 0 до 100"С - в жидком, выше 100 °С—в газообразном. Если температура продолжает расти, атомы и молекулы начинают терять свои электроны — ионизуются и газ превращается в плазму. При температурах более 1 000 000 °С плазма абсолютно ионизована — она состоит только из электронов и положительных ионов. Плазма — наиболее распространённое состояние вещества в природе, на неё приходится около 99 % массы Вселенной. Солнце, большинство звёзд, туманности — это полностью ионизованная плазма. Внешняя часть земной атмосферы (ионосфера) тоже плазма.

Под плазмой в физике понимают газ, состоящий изэлектрическизаряженных и нейтральных частиц, в котором суммарный электрический заряд равен нулю, т.с. выполнено условие квазинейтральности (поэтому, например, пучок электронов, летящих в вакууме, не плазма: он несет отрицательный заряд).

КАК ИСПОЛЬЗУЮТ ПЛАЗМУ

Наиболее широко плазма применяется в светотехнике — в газоразрядных лампах, освещающих улицы, и лампах дневного света, используемых в помещениях. А кроме того, в самых разных газоразрядных приборах: выпрямителях электрического тока, стабилизаторах напряжения, плазменных усилителях и генераторах сверхвысоких частот(СВЧ),счётчиках космических частиц.

Все так называемые газовые лазеры (гелий-неоновый, криптоновый, на диоксиде углерода и т.п.)на самом деле плазменные: газовые смеси в них ионизованы электрическим разрядом.

Свойствами, характерными для плазмы, обладают электроны проводимости в металле (ионы, жестко закрепленные в кристаллической решётке, нейтрализуют их заряды), совокупность свободных электронов и подвижных «дырок» (вакансий) в полупроводниках. Поэтому такие системы называют плазмой твёрдых тел

Газовую плазму принято разделять на низкотемпературную — до 100 тыс. градусов и высокотемпературную — до 100 млн градусов. Существуют генераторы низкотемпературной плазмы —плазмотроны,в которых используется электрическая дуга. С помощьюплазмотронаможно нагреть почти любой газ до 7000—10000 градусов за сотые и тысячные доли секунды. С созданием плазмотрона возникла новая область науки — плазменная химия: многие химические реакции ускоряются или идут только в плазменной струе.Плазмотроныприменяются и в горно-рудной промышленности, и для резки металлов.

Созданы также плазменные двигатели,магнитогидродинамическиеэлектростанции.Разрабатываютсяразличные схемы плазменного ускорения заряженных частиц.Центральной задачей физики плазмыявляетсяпроблемауправляемоготермоядерногосинтеза.

Термоядерныминазывают реакции синтеза болеетяжёлыхядер изядерлёгких элементов (в первую очередь изотоповводорода- дейтерияDи тритияТ),протекающиеприоченьвысоких температурах(»108К и выше)

В естественныхусловиях термоядерныереакциипроисходят на Солнце: ядра водорода соединяются друг с другом,образуя ядрагелия, при этомвыделяетсязначительное количество энергии. Искусственная реакциятермоядерного синтеза былаосуществлена вводороднойбомбе.

УПРАВЛЯЕМЫЕТЕРМОЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ

Считается, что запасов химическитоплива человечеству хватит на несколько десятков лет.Ограниченны иразведанные запасы ядерного горючего. Спасти человечество отэнергетического голода и статьпрактически неисчерпаемым источникомэнергии могут управляемыетермоядерные реакции в плазме.

В 1 л обычной воды содержится 0,15 мл воды тяжёлой (D2O). При слиянии ядер дейтерия из 0,15 мл D2O выделяется столько же энергии, сколько её образуется при сгорании 300 л бензина. Тритий в природе практически не существует, однако его можно получить, бомбардируя нейтронамиnизотоп лития:

n+7Li ®4He + T

Ядро атома водорода не чтоиноекак протон p. В ядре дейтерия содержится,кроме того, ещё один нейтрон, а в ядре трития— два нейтрона. Дейтерий и тритий могутреагироватьдруг с другом десятьюразнымиспособами. Но вероятности такой реакций различаются порой в сотни триллионов раз, а количествовыделяющейся энергии — в 10—15 раз. Практический интерес представляют только три из них:

D + D ® T + p + 4МэВ ;

D + D ®3He + n + 3,3МэВ;

D + T ®4He + n + 17,6МэВ.

Во время синтеза основная часть энергии (более 75%)выделяется в виде кинетической энергии нейтронов или протонов. Если замедлить нейтроны в подходящем веществе, оно нагревается; полученную теплоту легко превратить в электрическую энергию. Кинетическая энергия заряженных частиц — протонов — преобразуется в электричество непосредственно.

В реакции синтеза ядра Должны соединяться, но они заряжены положительно и, следовательно, по закону Кулона, отталкиваются. Чтобы преодолеть силы отталкивания, даже ядрам дейтерия и трития, имеющим наименьший заряд (Z.=1), необходима энергия около 10 или 100кэВ.Ей соответствует температура порядка 108—109К. При таких температурах любое вещество находится в состоянии высокотемпературной плазмы.

С позиций классической физики реакция синтеза невозможна, но здесь на помощь приходит чисто квантовый-туннельный эффект. Вычислено, что температура зажигания, начиная с которой выделение энергии превосходит её потери, для реакции дейтерий— тритий (DТ) равна приблизительно 4,5*107К, а для реакций дейтерий—дейтерий (DD) — около 4*108К. Естественно, предпочтительнее реакцияDТ. Нагревают плазму электрическим током, лазерным излучением, электромагнитными волнами и другими способами. Но важна не только высокая температура.

Чем выше концентрация, тем чаще сталкиваются друг с другом частицы, поэтому может показаться, что для осуществления термоядерных реакций лучше использовать плазму высокой плотности. Однако, если бы в 1см3плазмы содержалось 1019частиц (концентрация молекул в газе при нормальных условиях), давление в ней при температурах термоядерных реакций достигало бы порядка 106атм.Такого давления не выдерживает ни одна конструкция, а потому плазма должна быть разрежённой (с концентрацией около 1015частиц в 1 см3). Соударения частиц в этом случае происходят реже, и для поддержания реакции необходимо увеличивать время пребывания их в реакторе, или время удержания. Значит, для осуществления термоядерной реакции необходимо рассматривать произведение концентрации частиц плазмы на время их удержания. Для реакций DD это произведение (так называемый критерий Лоусона) равно 1016с/см3, а для реакции DТ — 1014с/см3. Следовательно, реакцию DТ реализовать легче, чем DD.

Когда начинались исследования плазмы, казалось, что осуществить управляемый синтез удастся быстро. Но со временем выяснилось, что в высокотемпературной плазме происходят сложные процессы и решающую роль играют многочисленные неустойчивости. Сегодня разрабатывается несколько типов устройств, в которых предполагается провести термоядерный синтез. Наиболее перспективнымисчитаютсятокамаки(сокращение от «ТОроидальнаяКАмерас Магнитными КАатушками»).Токамакпредставляет собой гигантский трансформатор, первичная катушка которого намотана на сердечник, а вторичная имеет единственный виток — вакуумную камеру в форме бублика, тора (от лат.TORUS— «выпуклость»),с плазменным шнуром внутри. Система магнитов удерживает шнур в центре камеры, а ток силой в тысячи ампер нагревает его до требуемой температуры. Нейтроны, образующиеся в ходе термоядерной реакции, поглощаются вбланкете— слое вещества, окружающем камеру. Выделяющееся при этом тепло можно использовать для получения электроэнергии.

Несмотря на кажущуюся простоту токамака, ни одно устройство подобного типа не дало положительного выхода энергии. Большие надежды возлагаются на проектируемый в настоящее время гигантский токамак ITER. На этой установке, если она будет сооружена к 2005 г., предполагаемая мощность выхода 1,5 • 109Вт. Среди других проектов следует отметить два: стеллараторы и устройства инерциального удержания плазмы.

Магнитное поле сложной формы, удерживающее плазму в круговой камере токамака, противодействует собственному полю плазменногошнура,которое стремится изогнутьтраекториюзаряженных частиц плазмы. Встеллараторе(от лат.STELLA —Звезда») плазме позволили принятьформу,какую она «хочет», иоставилитолько поле, сжимающее шнур. Вакуумнаякамера приобрела весьмапричудливыйвид, а множествомагнитныхкатушек — довольносложнуюформу. Эксперименты настеллараторахидут в разных странах,нодобиться нужной температурыивремени удержания плазмы пока не удалось.

Принципиально иным являетсяметодинерциальногоудержанияплазмы, основанный на инерции реакционной смеси, которая при мгновенном нагреве (например, лазерным(импульсом) разлетается не сразу.Ампулу, где находится смесь дейтерия с тритием, облучают со всех сторон{лазерными импульсамидлительностьюдо 10-10с и суммарноймощностьюпорядка 1020Вт/см.Оболочка ампулы испаряется, расширяющиеся газы и световое давление сжимают её содержимое почти в 50 тыс. раз.Давлениев смеси возрастает до 1 млн.атм,а её плотность — до 50—100г/см3.При таких условиях начинаетсятермоядернаяреакция.

superbotanik.net

Реферат - Плазма – четвертое состояние вещества

ГИМНАЗИЯ №11

РЕФЕРАТ

на тему

«Плазма – четвертое состояниевещества»

Выполнил: ученик 10 Бкласса

Грибанов Кирилл

г.Одинцово 2001 г.

ЧТО ТАКОЕ ПЛАЗМА

Английский физик Уильям Крукс (1832—1919), изучавший электрический разряд втрубках с разрежённым воздухом, писал: «Явления в откачанных трубках открываютдля физической науки новый мир, в котором материя может существовать вчетвёртом состоянии».

В зависимости от температуры любоевещество изменяет своё состояние. Так, вода при отрицательных (по Цельсию)температурах находится в твёрдом состоянии, в интервале от 0 до 100 "С — в жидком, выше 100 °С—в газообразном. Еслитемпература продолжает расти, атомы и молекулы начинают терять свои электроны —ионизуются и газ превращается в плазму. При температурах более 1 000 000 °Сплазма абсолютно ионизована — она состоит только из электронов и положительныхионов. Плазма — наиболее распространённое состояние вещества в природе, на неёприходится около 99 % массы Вселенной. Солнце, большинство звёзд, туманности —это полностью ионизованная плазма. Внешняя часть земной атмосферы (ионосфера)тоже плазма.

Ещё выше располагаются радиационные пояса,содержащие плазму. Полярные сияния, молнии, в том числе шаровые, — всё эторазличные виды плазмы, наблюдать которые можно в естественных условиях наЗемле. И лишь ничтожную часть Вселенной составляет вещество в твёрдом состоянии— планеты, астероиды и пылевые туманности.

Под плазмой в физике понимают газ,состоящий из электрически заряженных и нейтральныхчастиц, в котором суммарный электрический зарядравен нулю, т. с. выполнено условиеквазинейтральности (поэтому, например, пучок электронов, летящих в вакууме, неплазма: он несет отрицательный заряд).

КАК ИСПОЛЬЗУЮТ ПЛАЗМУ

Наиболее широко плазмаприменяется в светотехнике — в газоразрядных лампах, освещающих улицы, и лампахдневного света, используемых в помещениях. А кроме того, в самых разныхгазоразрядных приборах: выпрямителях электрического тока, стабилизаторахнапряжения, плазменных усилителях и генераторах сверхвысоких частот (СВЧ), счётчиках космических частиц.

Все так называемые газовые лазеры(гелий-неоновый, криптоновый, на диоксиде углерода и т. п.) на самом деле плазменные: газовые смеси в нихионизованы электрическим разрядом.

Свойствами, характерными для плазмы,обладают электроны проводимости в металле (ионы, жесткозакрепленные в кристаллической решётке,нейтрализуют их заряды), совокупность свободных электронов и подвижных «дырок»(вакансий) в полупроводниках. Поэтому такие системы называют плазмой твёрдыхтел

Газовую плазму принято разделять нанизкотемпературную — до 100 тыс. градусов и высокотемпературную — до 100 млнградусов. Существуют генераторы низкотемпературной плазмы — плазмотроны, в которых используется электрическаядуга. С помощью плазмотрона можно нагреть почтилюбой газ до 7000—10000 градусов за сотые и тысячные доли секунды. С созданиемплазмотрона возникла новая область науки —плазменная химия: многие химические реакции ускоряются или идут только вплазменной струе. Плазмотроны применяются и вгорно-рудной промышленности, и для резки металлов.

Созданы также плазменные двигатели, магнитогидродинамическиеэлектростанции. Разрабатываются различные схемыплазменного ускорения заряженных частиц. Центральнойзадачей физики плазмы является проблема управляемого термоядерногосинтеза.

Термоядерными называют реакции синтеза более тяжёлых ядер из ядер лёгких элементов (в первую очередь изотопов водорода — дейтерия Dи трития Т), протекающие приочень высоких температурах (»108 Ки выше)

В естественныхусловиях термоядерные реакции происходят на Солнце:ядра водорода соединяются друг с другом, образуя ядра гелия,при этом выделяется значительное количествоэнергии. Искусственная реакция термоядерного синтезабыла осуществлена в водородной бомбе.

УПРАВЛЯЕМЫЕ ТЕРМОЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ

Считается, что запасовхимически топлива человечеству хватит на несколькодесятков лет. Ограниченны и разведанные запасыядерного горючего. Спасти человечество от энергетического голода и стать практически неисчерпаемым источником энергии могут управляемые термоядерные реакции вплазме.

В 1 л обычной водысодержится 0,15 мл воды тяжёлой (D2O). При слиянии ядер дейтерия из 0,15 мл D2Oвыделяется столько же энергии, сколько её образуетсяпри сгорании 300 л бензина. Тритий в природе практически не существует, однакоего можно получить, бомбардируя нейтронами nизотоп лития:

n+7 Li ® 4He + T

Ядро атома водорода не что иное как протонp. В ядре дейтерия содержится,кроме того, ещё один нейтрон, а в ядре трития — дванейтрона. Дейтерий и тритий могут реагировать другс другом десятью разными способами. Но вероятноститакой реакций различаются порой в сотни триллионов раз, а количество выде/>ляющейся энергии— в 10—15 раз. Практический интерес представляют только три из них:

D + D ® T + p + 4МэВ ;

D + D ® 3He + n + 3,3МэВ;

D + T ® 4He + n + 17,6МэВ.

Если все ядра в каком-тообъёме одновременно вступают в реакцию, энергия выделяется мгновенно.Происходит термоядерный взрыв. В реакторе же реакция синтеза должна протекатьмедленно.

Осуществитьуправляемый термоядерный синтез до сих пор не удалось, а преимущества он сулитнемалые. Энергия, которая выделяется при термоядерных реакциях на единицу массытоплива, в миллионы раз превышает энергию химического топлива и, значит, всотни раз дешевле. В термоядерной энергетике нет выброса продуктов сгорания ватмосферу и радиоактивных отходов. Наконец, на термоядерной электростанции исключенвзрыв.

Во время синтезаосновная часть энергии (более 75 %) выделяется ввиде кинетической энергии нейтронов или протонов. Если замедлить нейтроны вподходящем веществе, оно нагревается; полученную теплоту легко превратить вэлектрическую энергию. Кинетическая энергия заряженных частиц — протонов —преобразуется в электричество непосредственно.

В реакции синтеза ядра Должны соединяться,но они заряжены положительно и, следовательно, по закону Кулона, отталкиваются.Чтобы преодолеть силы отталкивания, даже ядрам дейтерия и трития, имеющимнаименьший заряд (Z. = 1), необходима энергияоколо 10 или 100 кэВ. Ей соответствует температурапорядка 108—109К. При таких температурах любое вещество находится в состояниивысокотемпературной плазмы.

С позиций классическойфизики реакция синтеза невозможна, но здесь на помощь приходит чисто квантовый — туннельный эффект. Вычислено, что температуразажигания, начиная с которой выделение энергии превосходит её потери, дляреакции дейтерий— тритий (DТ) равнаприблизительно 4,5*107К, а для реакций дейтерий—дейтерий (DD)— около 4*108К. Естественно, предпочтительнее реакция DТ.Нагревают плазму электрическим током, лазерным излучением, электромагнитнымиволнами и другими способами. Но важна не только высокая температура.

Чем вышеконцентрация, тем чаще сталкиваются друг с другом частицы, поэтому можетпоказаться, что для осуществления термоядерных реакций лучше использоватьплазму высокой плотности. Однако, если бы в 1 см3плазмы содержалось 1019 частиц(концентрация молекул в газе при нормальных условиях), давление в ней притемпературах термоядерных реакций достигало бы порядка 106 атм. Такогодавления не выдерживает ни одна конструкция, а потому плазма должна бытьразрежённой (с концентрацией около 1015 частиц в 1 см3).Соударения частиц в этом случае происходят реже, и для поддержания реакциинеобходимо увеличивать время пребывания их в реакторе, или время удержания.Значит, для осуществления термоядерной реакции необходимо рассматриватьпроизведение концентрации частиц плазмы на время их удержания. Для реакций DDэто произведение (так называемый критерий Лоусона) равно 1016 с/см3,а для реакции DТ — 1014с/см3. Следовательно,реакцию DТ реализовать легче, чем DD.

Когда начинались исследования плазмы,казалось, что осуществить управляемый синтез удастся быстро. Но со временемвыяснилось, что в высокотемпературной плазме происходят сложные процессы ирешающую роль играют многочисленные неустойчивости. Сегодня разрабатываетсянесколько типов устройств, в которых предполагается провести термоядерныйсинтез. Наиболее перспективными считаются токамаки (сокращение от «ТОроидальнаяКАмера с Магнитными КАатушками»). Токамак представляет собой гигантский трансформатор,первичная катушка которого намотана на сердечник, а вторичная имеетединственный виток — вакуумную камеру в форме бублика, тора (от лат. TORUS — «выпуклость»), сплазменным шнуром внутри. Система магнитов удерживает шнур в центре камеры, аток силой в тысячи ампер нагревает его до требуемой температуры. Нейтроны, образующиесяв ходе термоядерной реакции, поглощаются в бланкете— слое вещества, окружающем камеру. Выделяющееся при этом тепло можноиспользовать для получения электроэнергии.

Несмотря накажущуюся простоту токамака, ни одно устройство подобного типа не далоположительного выхода энергии. Большие надежды возлагаются на проектируемый внастоящее время гигантский токамак ITER. На этой установке, если онабудет сооружена к 2005 г., предполагаемая мощность выхода 1,5 • 109Вт. Среди других проектов следует отметить два: стеллараторы и устройстваинерциального удержания плазмы.

Магнитное поле сложной формы, удерживающее плазму вкруговой камере токамака, противодействует собственному полю плазменного шнура, которое стремится изогнуть траекторию заряженных частиц плазмы. В стеллараторе (от лат. STELLA — Звезда») плазмепозволили принять форму, какую она «хочет», и оставили только поле, сжимающее шнур. Вакуумная камера приобрела весьма причудливый вид, а множество магнитныхкатушек — довольно сложную форму. Эксперименты на стеллараторах идут в разных странах, но добиться нужной температуры и времени удержания плазмы пока не удалось.

Принципиально иным является метод инерциальногоудержания плазмы,основанный на инерции реакционной смеси, которая при мгновенном нагреве (например, лазерным (импульсом) разлетается несразу. Ампулу, где находитсясмесь дейтерия с тритием, облучают со всех сторон {лазернымиимпульсами длительностьюдо 10-10 с и суммарной мощностью порядка 1020Вт/см. Оболочка ампулы испаряется, расширяющиесягазы и световое давление сжимают её содержимое почти в 50 тыс. раз. Давление в смесивозрастает до 1 млн. атм, а её плотность — до50—100 г/см3. При таких условияхначинается термоядерная реакция.

Но и на этом пути имеется рядтехнологических трудностей, пока не позволяющих превратить экспериментальныелазерные установки в промышленные реакторы.

www.ronl.ru