IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

Словом «плазма» в середине XIX в. стали именовать бесцветную часть крови (без красных и белых телец) и жидкость, наполняющую живые клетки. В 1929 году 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».

Плазма – это четвертое состояние вещества и состоит она из ионизированных и нейтральных частиц. В нашей жизни плазма представлена во всех масштабах. Звезды состоят в основном из плазмы. В меньших масштабах на Земле, плазма представлена в виде северных сияний. Плазма может существовать в различных формах и создана различными путями.

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 1000000 °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.

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.

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

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.

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. 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.

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.

Таким образом, 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.

ЛИТЕРАТУРА

1. ЭБС «Лань»: Афанасьев, Б. Н. Физическая химия [Электронный ресурс] : учебное пособие / Б. Н. Афанасьев, Ю. П. Акулова. - Электрон. дан. - СПб. : Лань, 2012. - 464 с.

2. ЭБС «Лань»: Нигматуллин, Н. Г. Физическая и коллоидная химия [Электронный ресурс]: учебное пособие. - Электрон. дан. - СПб. : Лань, 2015. - 276 с.

3. Болдырев, А. И. Физическая и коллоидная химия : учебник для студентов с.-х. вузов. - 2-е изд., перераб. и доп. - М. : Высш. шк., 1983. - 408 с. : ил. - (Высшее образование. Гр.).

4. Вурзель,Ф.Б., Плазмохимия / Ф.Б.Вурзель, Л.С. Полак - М, Знание, 1985.

5. Стромберг, А. Г. Физическая химия : учебник для студентов вузов по хим. специальностям. - 6-е изд., стер. - М. : Высш. шк., 2006. - 527 с. : ил. - (Гр.).

6. Хмельницкий, Р. А. Физическая и коллоидная химия : Учебник для с.-х. спец. вузов. - М. : Высш. шк., 1988. - 400 с. : ил.

Код для цитирования: Скопировать