Плазма как наноструктурная форма агрегатного состояния материи, её свойства и применение

Министерство образования ПМР

ПГУ им. Т.Г. Шевченко

 

 

 

 

 

 

 

« Плазма как наноструктурная  форма агрегатного состояния  материи, её свойства и применение»

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил студент группы 09СТ2

………

Проверил профессор:

,,,,,,,,,,,,,

 

 

 

Тирасполь 2011

 

Введение

   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 предполагал, 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 - это то, что мы и наблюдаем в факеле любого пламени. Это 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. . Температура плазмы зависит от степени (глубины) разрушения вещества до уровня плазмы, но при этом имеется вполне определенный предел температур, выше которого температура плазмы не может быть в принципе. И это предел относительно небольшой – порядка 20000^оС. Поэтому в общем случае плазму характеризуют не одним значением температуры, а несколькими – различают электронную температуру Т_е, ионную температуру Т_i и температуру нейтральных атомов Т_а. Плазму с ионной температурой Т_i < 10⁵  К называют низкотемпературной, а с Т_i > 10⁶ К – высокотемпературной. Высокотемпературная плазма является основным объектом исследования по УТС. Низкотемпературная плазма находит применение в газоразрядных источниках света, газовых лазерах.

Из этого следуют  и другие важные выводы, которые  мы сделаем при рассмотрении некоторых  других свойств вещества и плазмы.

Что является источником плазмы в Космосе, если звезды рассредоточены на очень большие расстояния? Действительно, расстояния от любой звезды (и тем более – галактики) до другого космического образования существенно больше размеров этого космического образования. Может ли плазма, излучаемая звездами, сохраняться в течение сотен тысяч лет? Как может двигаться фотон сквозь пространство, заполненное плазмой? Как были определены указанные пределы температур? Что является “носителем” таких высоких температур? Может ли плазма существовать в свободном состоянии?

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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 заряжен-

ного 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 учас – 

тие 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 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 час-

тицы 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 вижения W связана с температурой T следующим соотношением: 

 

где k – так называемая постоянная Больцмана, равная 1,38× 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 T₀. Обычно T_e >> T_i > T₀, 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 T₀ 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.

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 движения 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 модействия 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.