Вездесущая плазма: четвертое состояние вещества

      Комментарии к записи Вездесущая плазма: четвертое состояние вещества отключены

Вездесущая плазма: четвертое состояние вещества

    Предположение о существовании первого из состояний вещества, выходящих за рамки хорошей триады, было высказано в начале ХIХ века, а в 1920-х оно было названо — плазма Плазменная электростанция В 70 км от Марселя, в Сен-Поль-ле-Дюранс, по соседству с французским исследовательским центром ядерной энергии Кадараш, будет выстроен исследовательский термоядерный реактор ITER (от лат. iter — путь). Главная официальная задача этого реактора — «показать научную и технологическую возможность получения энергии термоядерного синтеза для мирных целей».
    В долгосрочной возможности (30−35 лет) на базе данных, взятых на протяжении опытов на реакторе ITER, смогут быть созданы прототипы надёжных, экологически чистых и экономически прибыльных электростанций Как устроен токамак Токамак — установка тороидальной формы для удержания плазмы посредством магнитного поля. Плазма, разогретая до высоких температур, не касается стенок камеры, а удерживается магнитными полями — тороидальным, созданным катушками, и полоидальным, которое образуется при протекании тока в плазме.
    Сама плазма делает роль вторичной обмотки трансформатора (первичная — катушки для тороидального поля), что снабжает предварительный нагрев при протекании электрического тока Первая плазма Снимок испытательного запуска корейского токамака KSTAR (Korea Superconducting Tokamak Advanced Reactor) с получением «первой плазмы» 15 июля 2008 г. KSTAR, научно-исследовательский проект по изучению возможности термоядерного синтеза чтобы получить энергию, применяет 30 сверхпроводящих магнитов, охлаждаемых жидким гелием Ускоритель на столе Замечательные ускорители электронов имеют характерную длину в много метров а также километры. Их размеры возможно существенно уменьшить, в случае если ускорять электроны не в вакууме, а в плазме — «на гребне» скоро распространяющихся возмущений плотности плазменных зарядов, так называемых кильватерных волн, возбуждаемых посредством импульсов лазерного излучения Четвертое состояние вещества Плазма в окружающем мире практически вездесуща — ее возможно отыскать не только в газовых разрядах, но и в ионосфере планет, в поверхностных и глубинных слоях активных звезд. Это и среда для осуществления управляемых термоядерных реакций, и рабочее тело для космических электрореактивных двигателей, и очень многое, очень многое второе

Полтораста лет назад практически все химики и многие физики думали, что материя состоит только из молекул и атомов, каковые объединяются в более-менее упорядоченные либо же совсем неупорядоченные комбинации. Мало кто сомневался, что все либо практически все вещества способны существовать в трех различных фазах — жёсткой, жидкой и газообразной, каковые они принимают в зависимости от внешних условий. Но догадки о возможности вторых состояний вещества уже высказывались.

Эту универсальную модель подтверждали и научные наблюдения, и тысячелетия опыта обыденной жизни. В итоге, любой знает, что вода при охлаждении преобразовывается в лед, а при нагревании закипает и испаряется. железо и Свинец также возможно перевести и в жидкость, и в газ, их нужно только нагреть посильнее. С конца XVIII века исследователи замораживали газы в жидкости, и смотрелось в полной мере правдоподобным, что любой сжиженный газ в принципе возможно вынудить затвердеть.

В общем, несложная и понятная картина трех состояний вещества помой-му не потребовала ни поправок, ни дополнений.

Ученые того времени много удивились бы, выяснив, что жёсткое, жидкое и газообразное состояния атомно-молекулярного вещества сохраняются только при довольно низких температурах, не превышающих 10 000°, да и в данной территории не исчерпывают всех вероятных структур (пример — жидкие кристаллы). Непросто было бы и поверить, что на их долю приходится не больше 0,01% от общей массы нынешней Вселенной. на данный момент-то мы знаем, что материя реализует себя во множестве экзотических форм.

Кое-какие из них (к примеру, вырожденный нейтронное вещество и электронный газ) существуют только в сверхплотных космических тел (белых карликов и нейтронных звезд), а кое-какие (такие как кварк-глюонная жидкость) появились и провалились сквозь землю в краткий миг практически сразу после Громадного взрыва. Но Примечательно, что предположение о существовании первого из состояний, выходящих за рамки хорошей триады, было высказано все в том же ХIХ столетии, причем в самом его начале.

В предмет научного изучения оно превратилось большое количество позднее, в 1920-х. Тогда же и было названо — плазма.

Во второй половине 70-х годов XIX века член Английского королевского общества Уильям Крукс, очень химик и успешный метеоролог (он открыл таллий и очень совершенно верно выяснил его ядерный вес), заинтересовался газовыми разрядами в вакуумных трубках. К тому времени было как мы знаем, что отрицательный электрод испускает эманацию малоизвестной природы, которую германский физик Ойген Голдштейн во второй половине 70-ых годов девятнадцатого века назвал катодными лучами.

По окончании множества опытов Крукс сделал вывод, что эти лучи имеется не что иное, как частицы газа, каковые по окончании столкновения с катодом купили отрицательный заряд и стали двигаться в направлении анода. Эти заряженные частицы он назвал «лучистой материей», radiant matter.

направляться признать, что в таком объяснении природы катодных лучей Крукс не был уникален. Еще в первой половине 70-ых годов XIX века сходную догадку высказал большой английский инженер-электротехник Кромвелл Флитвуд Варли, один из начальников работ по прокладке первого трансатлантического телеграфного кабеля. Но экспериментальные результаты с катодными лучами привели Крукса к весьма глубокой мысли: среда, в которой они распространяются, — это уже не газ, а что-то совсем иное.

22 августа 1879 года на сессии Английской ассоциации в поддержку науки Крукс объявил, что разряды в разреженных газах «так непохожи на все происходящее в воздухе либо любом газе при простом давлении, что в этом случае мы имеем дело с веществом в четвертом состоянии, которое по особенностям отличается от простого газа в такой же степени, что и газ от жидкости».

Часто пишут, что именно Крукс первым додумался до четвертого состояния вещества. В конечном итоге эта идея значительно раньше осенила Майкла Фарадея. В 1819 году, за 60-летний период до Крукса, Фарадей высказал предположение, что вещество может пребывать в жёстком, жидком, газообразном и лучистом состояниях, radiant state of matter.

В собственном докладе Крукс прямо заявил, что пользуется терминами, заимствованными у Фарадея, но потомки об этом почему-то забыли. Но фарадеевская мысль была все-таки умозрительной догадкой, а Крукс обосновал ее экспериментальными данными.

Катодные лучи интенсивно изучали и по окончании Крукса. В 1895 году эти опыты привели Вильяма Рёнтгена к открытию нового вида электромагнитного излучения, а в начале ХХ столетия обернулись изобретением первых радиоламп. Но круксовская догадка четвертого состояния вещества не позвала интереса у физиков — вероятнее вследствие того что во второй половине 90-ых годов XIX века Джозеф Джон Томсон доказал, что катодные лучи являются не заряженные атомы газа, а весьма легкие частицы, каковые он назвал электронами.

Это открытие, казалось, сделало догадку Крукса ненужной.

Но она возродилась, как феникс из пепла. Во второй половине 1920-х будущий нобелевский лауреат по химии Ирвинг Ленгмюр, трудившийся в лаборатории корпорации General Electric, близко занялся изучением газовых разрядов. Тогда уже знали, что в пространстве между катодом и анодом атомы газа теряют электроны и преобразовываются в положительно заряженные ионы. Поняв, что подобный газ имеет множество особенных особенностей, Ленгмюр решил наделить его собственным именем.

По какой-то необычной ассоциации он выбрал слово «плазма», которое до этого применяли только в минералогии (это еще одно наименование зеленого халцедона) и в биологии (жидкая база крови, и молочная сыворотка). В собственном новом качестве термин «плазма» в первый раз показался в статье Ленгмюра «Колебания в ионизованных газах», размещённой в 1928 году. Лет тридцать этим термином мало кто пользовался, но позже он прочно вошел в научный обиход.

Хорошая плазма — это ионно-электронный газ, быть может, разведённый нейтральными частицами (строго говоря, в том месте постоянно присутствуют фотоны, но при умеренных температурах их возможно не учитывать). В случае если степень ионизации не через чур мелка (в большинстве случаев, достаточно одного процента), данный газ демонстрирует множество своеобразных качеств, которыми не владеют простые газы. Но, возможно изготовить плазму, в которой свободных электронов не будет вовсе, а их обязанности возьмут на себя отрицательные ионы.

Для простоты разглядим только электронно-ионную плазму. Ее частицы притягиваются либо отталкиваются в соответствии с законом Кулона, причем это сотрудничество проявляется на громадных расстояниях. Как раз этим они отличаются от молекул и атомов нейтрального газа, каковые ощущают друг друга только на малых расстояниях. Потому, что плазменные частицы пребывают в свободном полете, они легко смещаются под действием электрических сил.

Чтобы плазма была в состоянии равновесия, нужно, дабы ионов и пространственные заряды электронов всецело компенсировали друг друга. В случае если это условие не выполняется, в плазме появляются электрические токи, каковые восстанавливают равновесие (к примеру, в случае если в какой-то области образуется избыток хороших ионов, в том направлении мгновенно устремятся электроны). Исходя из этого в равновесной плазме плотности частиц различных знаков фактически однообразны.

Это наиболее значимое свойство именуется квазинейтральностью.

Фактически неизменно атомы либо молекулы простого газа участвуют лишь в парных сотрудничествах — сталкиваются между собой и разлетаются в стороны. Иное дело плазма. Потому, что ее частицы связаны дальнодействующими кулоновскими силами, любая из них находится в дальних соседей и поле ближних.

Это указывает, что сотрудничество между частицами плазмы не парное, а множественное — как говорят физики, коллективное. Из этого следует стандартное определение плазмы — квазинейтральная совокупность солидного числа разноименных заряженных частиц, демонстрирующих коллективное поведение.

Плазма отличается от нейтрального газа и реакцией на внешние электрические и магнитные поля (простой газ их фактически не подмечает). Частицы плазмы, наоборот, ощущают сколь угодно не сильный поля и срочно приходят в перемещение, порождая электрические токи и объёмные заряды. Еще одна наиболее значимая изюминка равновесной плазмы — зарядовое экранирование. Заберём частицу плазмы, скажем, хороший ион. Он притягивает электроны, каковые формируют облако отрицательного заряда.

Поле для того чтобы иона ведет себя в соответствии с законом Кулона только в его окрестности, а на расстояниях, превышающих определенную критическую величину, весьма скоро пытается к нулю. Данный параметр именуется дебаевским радиусом экранирования — в честь голландского физика Питера Дебая, что обрисовал данный механизм в первой половине 20-ых годов двадцатого века.

Легко понять, что плазма сохраняет квазинейтральность, только в случае если ее линейные размеры по всем измерениям очень сильно превышают дебаевский радиус. Необходимо подчеркнуть, что данный параметр возрастает при нагреве плазмы и снижается с возрастанием ее плотности. В плазме газовых разрядов по порядку величины он равен 0,1 мм, в земной ионосфере — 1 мм, в солнечном ядре — 0,01 нм.

Сейчас плазма употребляется в великом множестве разработок. Одни из них известны каждому (газосветные лампы, плазменные дисплеи), другие воображают интерес для узких экспертов (производство сверхпрочных защитных пленочных покрытий, изготовление микрочипов, дезинфекция). Но громаднейшие надежды на плазму возлагают в связи с работами по осуществлению управляемых термоядерных реакций. Это и ясно.

Дабы ядра водорода слились в ядра гелия, их нужно сблизить на расстояние порядка одной стомиллиардной доли сантиметра — а в том месте уже получат ядерные силы. Такое сближение вероятно только при температурах в сотни и десятки миллионов градусов — в этом случае кинетической энергии положительно заряженных ядер хватит для преодоления электростатического отталкивания. Исходя из этого для управляемого термоядерного синтеза нужна высокотемпературная водородная плазма.

Действительно, плазма на базе простого водорода тут не окажет помощь. Такие реакции происходят в недрах звезд, но для земной энергетики они ненужны, потому, что через чур мелка интенсивность выделения энергии. оптимальнее применять плазму из смеси тяжелых трития водорода и изотопов дейтерия в пропорции 1:1 (чисто дейтериевая плазма также приемлема, не смотря на то, что даст меньше энергии и потребует более больших температур для поджига).

Но для запуска реакции одного нагрева мало. Во-первых, плазма обязана быть достаточно плотной; во-вторых, попавшие в зону реакции частицы не должны покидать ее через чур скоро — в противном случае утрата энергии превысит ее выделение. Эти требования возможно представить в виде критерия, что в 1955 году внес предложение британский физик Джон Лоусон.

В соответствии с данной формулой произведение плотности плазмы на среднее время удержания частиц должно быть выше некоей величины, определяемой температурой, составом термоядерного горючего и ожидаемым коэффициентом нужного действия реактора.

Легко заметить, что существуют два пути исполнения критерия Лоусона. Возможно сократить время удержания до наносекунд за счет сжатия плазмы, скажем, до 100−200 г/см3 (потому, что плазма наряду с этим не успевает разлететься, данный способ удержания именуют инерционным). Физики отрабатывают эту стратегию с середины 1960-х годов; на данный момент ее самая совершенной версией занимается Ливерморская национальная лаборатория.

В текущем году в том месте начнут опыты по компрессии миниатюрных капсул из бериллия (диаметр 1,8 мм), заполненных дейтериево-тритиевой смесью, посредством 192 ультрафиолетовых лазерных пучков. Начальники проекта считают, что не позднее 2012 года они смогут не только поджечь термоядерную реакцию, но и взять хороший выход энергии. Быть может, подобная программа в ходе проекта HiPER (High Power Laser Energy Research) в ближайщее время будет запущена и в Европе.

Но кроме того в случае если опыты в Ливерморе всецело оправдают возлагаемые на них ожидания, расстояние до создания настоящего термоядерного реактора с инерционным удержанием плазмы все равно останется большой. Дело в том, что для прототипа электростанции нужна весьма скорострельная совокупность сверхмощных лазеров.

Она обязана обеспечить такую частоту вспышек, зажигающих дейтериево-тритиевые мишени, которая в тысячи раз превысит возможности ливерморской совокупности, делающей не более 5−10 выстрелов в секунду. на данный момент деятельно обсуждаются разные возможности создания таких лазерных пушек, но до их практической реализации еще весьма на большом растоянии.

Альтернативно возможно трудиться с разреженной плазмой (плотностью в нанограммы на кубический сантиметр), удерживая ее в зоне реакции не меньше нескольких секунд. В таких опытах вот уже более полувека используют разные магнитные ловушки, каковые удерживают плазму в заданном количестве за счет наложения нескольких магнитных полей. Самыми перспективными вычисляют токамаки — замкнутые магнитные ловушки в форме тора, в первый раз предложенные А.Д.Сахаровым и И.Е.

Таммом в первой половине 50-ых годов двадцатого века. На данный момент в разных государствах трудится с дюжину таких установок, наибольшие из которых разрешили приблизиться к исполнению критерия Лоусона. Интернациональный экспериментальный термоядерный реактор, известный ITER, что выстроят в поселке Кадараш рядом от французского города Экс-ан-Прованс, — также токамак.

В случае если все отправится по замыслу, ITER разрешит в первый раз взять плазму, удовлетворяющую лоусоновскому критерию, и поджечь в ней термоядерную реакцию.

«За последние два десятка лет мы добились огромного прогресса в понимании процессов, каковые происходят в магнитных плазменных ловушек, в частности — токамаков. В целом мы уже знаем, как движутся частицы плазмы, как появляются неустойчивые состояния плазменных потоков и до какой степени увеличивать давление плазмы, дабы ее все-таки возможно было удержать магнитным полем.

Были кроме этого созданы новые точные способы плазменной диагностики, другими словами измерения разных параметров плазмы, — поведал «ПМ» доктор наук ядерной ядерных технологий и физики Массачусетского технологического университета Йен Хатчинсон, что более чем 30 лет занимается токамаками. — К настоящему времени в наибольших токамаках достигнуты мощности выделения тепловой энергии в дейтериево-тритиевой плазме порядка 10 милионов ватт в течении одной-двух секунд. ITER превзойдет эти показатели на несколько порядков.

В случае если мы не ошибаемся в расчетах, он сможет выдавать не меньше 500 милионов ватт в течение нескольких мин.. В случае если уж совсем повезет, энергия будет генерироваться по большому счету без ограничения времени, в стабильном режиме».

Доктор наук Хатчинсон кроме этого выделил, что ученые на данный момент прекрасно знают темперамент процессов, каковые должны происходить в этого огромного токамака: «Мы кроме того знаем условия, при которых плазма подавляет собственные турбулентности, а это крайне важно для управления работой реактора. Само собой разумеется, нужно решить множество технических задач — в частности, завершить разработку материалов для внутренней облицовки камеры, талантливых выдержать интенсивную нейтронную бомбардировку.

Но с позиций физики плазмы картина достаточно ясна — по крайней мере мы так вычисляем. ITER обязан подтвердить, что мы не ошибаемся. В случае если все так и будет, придет черед и токамаку нового поколения, что станет прототипом промышленных термоядерных реакторов. Но на данный момент об этом сказать еще рано.

А до тех пор пока мы рассчитываем, что ITER начнет трудиться в конце этого десятилетия. Вероятнее, он сможет генерировать тёплую плазму никак не раньше 2018 года — по крайней мере по отечественным ожиданиям». Так что с позиций науки и техники у проекта ITER хорошие возможности.

Волны в плазме

Коллективный темперамент внутриплазменных явлений ведет к тому, что эта среда значительно более склонна к возбуждению разных волн, нежели нейтральный газ. Несложные из них изучали еще Ленгмюр с его сотрудником Леви Тонксом (более того, анализ этих колебаний очень сильно укрепил Ленгмюра в мысли, что он имеет дело с новым состоянием вещества).

Пускай в каком-то участке равновесной плазмы мало изменилась электронная плотность — в противном случае говоря, несколько соседних электронов сдвинулась из прошлого положения. Тут же появятся электрические силы, возвращающие удравшие электроны в начальную позицию, которую те по инерции чуть-чуть проскочат. В итоге покажется очаг колебаний, каковые начнут распространяться по плазме в виде продольных волн (в весьма холодной плазме они смогут быть и стоячими).

Эти волны так и именуются — ленгмюровскими.

Открытые Ленгмюром колебания накладывают ограничение на частоту электромагнитных волн, каковые смогут проходить через плазму. Она обязана быть больше ленгмюровскую частоту, в другом случае электромагнитная волна затухнет в плазме либо же отразится, как свет от зеркала. Это и происходит с радиоволнами с длиной волны более чем примерно двадцать метров, каковые не проходят через земную ионосферу.

В намагниченной плазме смогут рождаться и поперечные волны. В первый раз их существование в первой половине 40-ых годов XX века предсказал шведский астрофизик Ханнес Альфвен (в опыте их нашли 17 годами позднее). Альфвеновские волны распространяются на протяжении силовых линий внешнего магнитного поля, каковые вибрируют, как натянутые струны (плазменные частицы, электроны и ионы, смещаются перпендикулярно этим линиям).

Примечательно, что скорость таких волн определяется лишь напряжённостью и плотностью плазмы магнитного поля, но не зависит от частоты. Волны Альфвена выполняют большую роль в космических плазменных процессах — считается, к примеру, что именно они снабжают аномальный нагрев солнечной короны, которая в много раз горячее солнечной атмосферы. Им сродни и свистящие атмосферики, волновые хвосты грозовых разрядов, каковые создают радиопомехи.

В плазме появляются и волны более сложной структуры, владеющие как продольными, так и поперечными компонентами.

Статья размещена в издании «Популярная механика» (№90, апрель 2010).

Плазма, 4-е агрегатное состояние вещества


Интересные записи на сайте:

Подобранные по важим запросам, статьи по теме: