Одно и тоже вещество в природе имеет возможность кардинальным образом варьировать свои свойства в зависимости от показателей температуры и давления. Прекрасным примером тому может служить вода, которая существует в виде твёрдого льда, жидкости и пара. Это три агрегатных состояния данной субстанции, имеющей химическую формулу Н 2 О. Другие вещества в естественных условиях способны менять свои характеристики аналогическим образом. Но кроме перечисленных, в природе существует и другое агрегатное состояние - плазма. Это достаточно редкая в земных условиях наделённая особыми качествами.
Молекулярное строение
От чего зависят 4 состояния вещества, в котором пребывает материя? От взаимодействия элементов атома и самих молекул, наделённых свойствами взаимного отталкивания и притяжения. Указанные силы самокомпенсируются в твёрдом состоянии, где атомы располагаются геометрически правильно, образуя кристаллическую решётку. При этом материальный объект способен сохранять обе упомянутые выше качественные характеристики: объём и форму.
Но стоит кинетической энергии молекул увеличится, хаотично двигаясь, они разрушают установленный порядок, превращаясь в жидкости. Они обладают текучестью и характеризуются отсутствием геометрических параметров. Но при этом данная субстанция сохраняет свою способность не менять общий объём. В газообразном состоянии взаимное притяжение между молекулами полностью отсутствует, поэтому газ не имеет формы и обладает возможностью неограниченного расширения. Но концентрация вещества при этом значительно падает. Сами молекулы в обычных условиях не меняются. В этом заключается основная особенность первых 3 из 4 состояний вещества.
Трансформация состояний
Процесс превращения твёрдого тела в другие формы возможно осуществить, постепенно увеличивая температуру и варьируя показатели давления. При этом переходы будут происходить скачкообразно: расстояние между молекулами заметно увеличится, разрушатся межмолекулярные связи с изменением плотности, энтропии, количества свободной энергии. Вероятна также трансформация твёрдого тела сразу в газообразную форму, минуя промежуточные этапы. Она носит название сублимации. Подобный процесс вполне возможен в обычных земных условиях.
Но когда показатели температуры и давления достигают критического уровня, образуется Внутренняя энергия вещества настолько увеличивается, что электроны, двигаясь с бешенной скоростью, покидают свои внутриатомные орбиты. При этом образуются положительные и отрицательные частицы, но плотность их в получившейся структуре остаётся практически одинаковой. Таким образом возникает плазма - агрегатное состояние вещества, представляющего, по сути, газ, полностью или частично ионизированный, элементы которого наделены способностью на больших расстояниях взаимодействовать между собой.
Высокотемпературная плазма космоса
Плазма, как правило, субстанция нейтральная, хотя и состоит из заряженных частиц, потому что положительные и отрицательные элементы в ней, будучи приблизительно равными по количеству, компенсируют друг друга. Это агрегатное состояние в обычных земных условиях встречается реже других, упомянутых ранее. Но несмотря на это, большинство космических тел состоит именно из природной плазмы.
Примером тому могут служить Солнце и прочие многочисленные звёзды Вселенной. Там показатели температуры фантастический высоки. Ведь на поверхности главного светила нашей планетарной системы они достигают 5 500°С. Это более чем в полсотни раз превышает те параметры, которые необходимы для того, чтобы закипела вода. В центре же огнедышащего шара температура составляет 15 000 000°С. Неудивительно, что газы (в основном это водород) там ионизируются, достигая агрегатного состояния плазмы.
Низкотемпературная плазма в природе
Межзвёздная среда, заполняющая галактическое пространство, также состоит из плазмы. Но она отличается от высокотемпературной её разновидности, описанной ранее. Подобная субстанция состоит из ионизированного вещества, возникающего вследствие излучения, испускаемого звёздами. Это низкотемпературная плазма. Таким же образом солнечные лучи, достигая пределов Земли, создают ионосферу и находящийся над ней радиационный пояс, состоящий из плазмы. Различия лишь в составе вещества. Хотя в подобном состоянии могут находится все элементы, представленные в таблице Менделеева.
Плазма в условиях лаборатории и её применение
Согласно законам легко получается в привычных для нас условиях. При проведения лабораторных опытов достаточно конденсатора, диода и сопротивления, подключённых последовательно. Подобная цепь на секунду подсоединяется к источнику тока. И если прикоснуться проводами к металлической поверхности, то частицы её самой, а также расположенные вблизи молекулы паров и воздуха ионизируются и оказываются в агрегатном состоянии плазмы. Аналогичные свойства материи используются при создании ксеноновых и неоновых экранов и сварочных аппаратов.
Плазма и природные явления
В естественных условиях плазму можно наблюдать в свете Северного сияния и во время грозы в виде шаровой молнии. Объяснение некоторым природным явлениям, которым ранее приписывались мистические свойства, ныне дала современная физика. Плазма, образующаяся и светящаяся на концах высоких и острых предметов (мачтах, башнях, огромных деревьях) при особом состоянии атмосферы, столетия назад принималась моряками за вестник удачи. Именно поэтому данное явление получило название «Огни святого Эльма».
Видя коронный разряд в облике светящихся кисточек или пучков во время грозы в шторм, путешественники принимали это за доброе предзнаменование, понимая, что избежали опасности. Неудивительно, ведь возвышающиеся над водой объекты, подходящие для «знаков святого», могли говорить о приближении судна к берегу или пророчить встречу с другими кораблями.
Неравновесная плазма
Приведённые выше примеры красноречиво свидетельствуют о том, что не обязательно нагревать вещество до фантастических температур, чтобы добиться состояния плазмы. Для ионизации достаточно использовать силу электромагнитного поля. При этом тяжёлые составные элементы материи (ионы) не приобретают значительную энергию, ведь температура при осуществлении этого процесса вполне может не превышать по Цельсию нескольких десятков градусов. В таких условиях лёгкие электроны, отрываясь от основного атома, движутся значительно быстрее более инертных частиц.
Подобная холодная плазма называется неравновесной. Кроме плазменных телевизоров и неоновых ламп, она используется также при очистке воды и продуктов питания, применяется для дезинфекции в медицинских целях. К тому же холодная плазма способна содействовать ускорению химических реакций.
Принципы использования
Прекрасным примером того, как применяется во благо человечества искусственно созданная плазма, является изготовление плазменных мониторов. Ячейки такого экрана наделены способностью излучать свет. Панель представляет собой некий «бутерброд» из стеклянных листов, близко расположенных друг к другу. Между ними размещаются коробочки со смесью инертных газов. Ими могут быть неон, ксенон, аргон. А на внутреннюю поверхность ячеек наносятся люминофоры синего, зелёного, красного цвета.
Снаружи ячеек подведены токопроводящие электроды, между которыми создаётся напряжение. В результате этого возникает электрическое поле и, как следствие, молекулы газа ионизируются. Образующаяся плазма испускает ультрафиолетовые лучи, поглощаемые люминофорами. Ввиду это возникает явление флуоресценции посредством испускаемых при этом фотонов. За счёт сложного соединения лучей в пространстве возникает яркое изображение самых разнообразных оттенков.
Плазменные ужасы
Смертоносный облик принимает эта форма материи во время ядерного взрыва. Плазма в больших объёмах образуется во время течения данного неуправляемого процесса с высвобождением огромного количества различных видов энергии. возникшая в результате запуска в действие детонатора, вырывается наружу и нагревает в первые секунды до гигантских температур окружающий воздух. На этом месте возникает смертоносный огненный шар, нарастающий с внушительной скоростью. Видимая область яркой сферы увеличивается за счёт ионизированного воздуха. Сгустки, клубы и струи плазмы взрыва формируют ударную волну.
Первое время светящийся шар, наступая, мгновенно поглощает всё на своём пути. В пыль превращаются не только кости и ткани человека, но и твёрдые скалы, разрушаются даже самые прочные искусственные сооружения и объекты. Не спасают бронированные двери в надёжные убежища, расплющиваются танки и другая боевая техника.
Плазма по своим свойствам напоминает газ тем, что не обладает определёнными формами и объёмом, в следствие этого она способна неограниченно расширяться. По данной причине многие физики высказывают мнение, что считать её отдельным агрегатным состоянием не следует. Однако существенные отличия её от просто горячего газа налицо. К ним относятся: возможность проводить электрические токи и подверженность влиянию магнитных полей, неустойчивость и способность составных частиц иметь разные показатели скоростей и температур, при этом коллективно взаимодействовать между собой.
Что такое плазма – непривычный газ
С детства мы знаем несколько агрегатных состояний веществ. Возьмем к примеру воду. Ее обычное состояние известно всем – жидкость, она распространена повсеместно: реки, озера, моря, океаны. Второе агрегатное состояние – газ. Его мы видим не часто. Самый легкий способ достичь газообразного состояния у воды – вскипятить ее. Пар – есть ничто иное, как газообразное состояние воды. Третье агрегатное состояние – твердое тело. Подобный случай мы можем наблюдать, например в зимние месяцы. Лед – замершая вода, и есть третье агрегатное состояние.
Данный пример наглядно показывает что практически любое вещество имеет три агрегатных состояния. У одних его достичь легко, у других сложнее (требуются особые условия).
Но современная физика выделяет еще одно, независимое состояние вещества – плазма.
Плазма – это ионизированный газ с одинаковой плотностью как положительных так и отрицательных зарядов. Как известно, при сильном нагревании любое вещество переходит в третье агрегатное состояние – газ. Если продолжать разогревать полученное газообразное вещество, то на выходе получим вещество с резко увеличенным процессом термической ионизации, составляющие газ атомы распадаются образуя ионы. Данное состояние можно наблюдать невооруженным глазом. Наше Солнце – звезда, как и миллионы остальных звезд и галактик во вселенной есть ничто иное как высокотемпературная плазма. К сожалению на Земле, в естественных условиях плазма не существует. Но наблюдать мы ее все же можем, например вспышку молнии. В лабораторных условиях плазму впервые удалось получить в результате пропускания через газ высокого напряжения. Сегодня многие из нас пользуются плазмой в быту – это обычные газоразрядные лампы дневного света. На улицах сплошь и рядом наблюдается неоновая реклама, которая есть ничто иное как низкотемпературная плазма в стеклянных трубках.
Для того, что бы из газообразного состояния перейти к плазме, газ необходимо ионизировать. От числа атомов зависит напрямую и степень ионизации. Еще одним условием является температура.
До 1879 года физика описывала и руководствовалась всего тремя агрегатными состояниями веществ. Пока английский ученый, химик и физик, – Уильям Крукс не начал проводить опыты по исследованию проводимости электричества в газах. К его открытиям причисляют открытие элемента Талия, получение Гелия в лабораторных условиях и, конечно, первые опыты с получением холодной плазмы в газоразрядных трубках. Привычный нам термин “плазма” был применен впервые в 1923 году американским ученым Ленгмюром, а позднее и Тонксоном. До этого времени “плазмой” обозначали лишь бесцветную составляющую крови или молока.
Сегодняшние исследования показывают, вопреки распространенному мнению, в состоянии плазмы находится порядка 99% всего вещества во вселенной. Все звезды, все межзвездное пространство, галактики, туманности, солнечный веер – типичные представители плазмы.
На земле мы можем наблюдать такие природные явления как молния, северное сияние, “огни святого Эльма”, ионосфера Земли и, конечно, огонь.
Человек так же научился применять плазму себе во благо. Благодаря четвертому агрегатному состоянию вещества мы можем пользоваться газоразрядными лампами, плазменными телевизорами, дуговой электросваркой, лазерами. Так же, явления плазмы мы можем наблюдать при ядерном взрыве или запуске космических ракет.
Одним из приоритетных исследований в направлении плазмы можно считать реакцию термоядерного синтеза, который должен стать безопасной заменой атомной энергетике.
По классификации плазму делят на низкотемпературную и высокотемпературную, равновесную и неравновесную, идеальную и неидеальную.
Низкотемпературная плазма характеризуется малой степенью ионизации (порядка 1%) и температурой до 100 тысяч градусов. Именно по этому плазму такого рода часто используют в различных технологических процессах (нанесение алмазной пленки на поверхность, изменение смачиваемости вещества, озонирование воды и т.д.).
Высокотемпературная или “горячая” плазма обладает практически 100% ионизацией (именно такое состояние и подразумевают под четвертым агрегатным состоянием) и температурой до 100 миллионов градусов. В природе – это звезды. В земных условиях именно высокотемпературная плазма используется для опытов термоядерного синтеза. Контролируемая реакция достаточно сложна и энергозатратна, а вот неконтролируемая достаточно зарекомендовала себя как оружие колоссальной мощности – термоядерная бомба, испытанная СССР 12 августа 1953 года.
Но это крайности. Холодная плазма достаточно прочно заняла свое место в быт человека, о полезном контролируемом термоядерном синтезе остается пока мечтать, оружие на самом деле не применимо.
Но в быту плазма не всегда одинаково полезна. Иногда существуют ситуации при которых следует избегать разрядов плазмы. Например при любых коммутационных процессах мы наблюдаем плазменную дугу между контактами, которую срочно необходимо гасить.
Агрега́тное состоя́ние - состояние вещества, характеризующееся определёнными качественными свойствами: способностью или неспособностью сохранять объём и форму, наличием или отсутствием дальнего и ближнего порядка и другими. Изменение агрегатного состояния может сопровождаться скачкообразным изменением свободной энергии, энтропии, плотности и других основных физических свойств.
Известно, что любое вещество может существовать только в одном из трех состояний: твердом, жидком или газообразном, классическим примером чему является вода, которая может быть в виде льда, жидкости и пара. Однако веществ, пребывающих в этих считающихся бесспорными и общераспространенными состояниях, если брать всю Вселенную в целом, очень мало. Они вряд ли превышают то, что в химии считается ничтожно малыми следами. Все остальное вещество Вселенной пребывает в так называемом плазменном состоянии.
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 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.
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).
1.1. Наиболее типичные формы плазмы
| Наиболее типичные формы плазмы | ||
Искусственно созданная плазма Плазменная панель (телевизор, монитор) Вещество внутри люминесцентных (в т. ч. компактных) и неоновых ламп 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 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 игалактиками) Межзвездные туманности |
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.
1. Вурзель Ф.Б., Полак Л.С. Плазмохимия, М, Знание, 1985.
2. Ораевский Н.В. Плазма на Земле и в космосе, К, Наукова думка, 1980.
Что такое четвертое состояние вещества, чем оно отличается от трех других и как заставить его служить человеку.
Полтораста лет назад почти все химики и многие физики считали, что материя состоит лишь из атомов и молекул, которые объединяются в более-менее упорядоченные или же совсем неупорядоченные комбинации. Мало кто сомневался, что все или почти все вещества способны существовать в трех разных фазах - твердой, жидкой и газообразной, которые они принимают в зависимости от внешних условий. Но гипотезы о возможности других состояний вещества уже высказывались.
Эту универсальную модель подтверждали и научные наблюдения, и тысячелетия опыта обыденной жизни. В конце концов, каждый знает, что вода при охлаждении превращается в лед, а при нагревании закипает и испаряется. Свинец и железо тоже можно перевести и в жидкость, и в газ, их надо лишь нагреть посильнее. С конца XVIII века исследователи замораживали газы в жидкости, и выглядело вполне правдоподобным, что любой сжиженный газ в принципе можно заставить затвердеть. В общем, простая и понятная картина трех состояний вещества вроде бы не требовала ни поправок, ни дополнений.
Ученые того времени немало удивились бы, узнав, что твердое, жидкое и газообразное состояния атомно-молекулярного вещества сохраняются лишь при относительно низких температурах, не превышающих 10000°, да и в этой зоне не исчерпывают всех возможных структур (пример - жидкие кристаллы). Нелегко было бы и поверить, что на их долю приходится не больше 0,01% от общей массы нынешней Вселенной. Сейчас-то мы знаем, что материя реализует себя во множестве экзотических форм. Некоторые из них (например, вырожденный электронный газ и нейтронное вещество) существуют лишь внутри сверхплотных космических тел (белых карликов и нейтронных звезд), а некоторые (такие как кварк-глюонная жидкость) родились и исчезли в краткий миг вскоре после Большого взрыва. Однако интересно, что предположение о существовании первого из состояний, выходящих за рамки классической триады, было высказано все в том же ХIХ столетии, причем в самом его начале. В предмет научного исследования оно превратилось много позже, в 1920-х. Тогда же и получило свое название - плазма.
Во второй половине 70-х годов XIX века член Лондонского королевского общества Уильям Крукс, весьма успешный метеоролог и химик (он открыл таллий и чрезвычайно точно определил его атомный вес), заинтересовался газовыми разрядами в вакуумных трубках. К тому времени было известно, что отрицательный электрод испускает эманацию неизвестной природы, которую немецкий физик Ойген Голдштейн в 1876 году назвал катодными лучами. После множества опытов Крукс решил, что эти лучи есть не что иное, как частицы газа, которые после столкновения с катодом приобрели отрицательный заряд и стали двигаться в направлении анода. Эти заряженные частицы он назвал «лучистой материей», radiant matter .
Следует признать, что в таком объяснении природы катодных лучей Крукс не был оригинален. Еще в 1871 году сходную гипотезу высказал крупный британский инженер-электротехник Кромвелл Флитвуд Варли, один из руководителей работ по прокладке первого трансатлантического телеграфного кабеля. Однако результаты экспериментов с катодными лучами привели Крукса к очень глубокой мысли: среда, в которой они распространяются, – это уже не газ, а нечто совершенно иное. 22 августа 1879 года на сессии Британской ассоциации в поддержку науки Крукс заявил, что разряды в разреженных газах «так непохожи на все происходящее в воздухе или любом газе при обычном давлении, что в этом случае мы имеем дело с веществом в четвертом состоянии, которое по свойствам отличается от обычного газа в такой же степени, что и газ от жидкости».
Нередко пишут, что именно Крукс первым додумался до четвертого состояния вещества. В действительности эта мысль гораздо раньше осенила Майкла Фарадея. В 1819 году, за 60 лет до Крукса, Фарадей предположил, что вещество может пребывать в твердом, жидком, газообразном и лучистом состояниях, radiant state of matter . В своем докладе Крукс прямо сказал, что пользуется терминами, заимствованными у Фарадея, но потомки об этом почему-то забыли. Однако фарадеевская идея была все-таки умозрительной гипотезой, а Крукс обосновал ее экспериментальными данными.
Катодные лучи интенсивно изучали и после Крукса. В 1895 году эти эксперименты привели Вильяма Рёнтгена к открытию нового вида электромагнитного излучения, а в начале ХХ века обернулись изобретением первых радиоламп. Но круксовская гипотеза четвертого состояния вещества не вызвала интереса у физиков - скорее всего потому, что в 1897 году Джозеф Джон Томсон доказал, что катодные лучи представляют собой не заряженные атомы газа, а очень легкие частицы, которые он назвал электронами. Это открытие, казалось, сделало гипотезу Крукса ненужной.
Однако она возродилась, как феникс из пепла. Во второй половине 1920-х будущий нобелевский лауреат по химии Ирвинг Ленгмюр, работавший в лаборатории корпорации General Electric , вплотную занялся исследованием газовых разрядов. Тогда уже знали, что в пространстве между анодом и катодом атомы газа теряют электроны и превращаются в положительно заряженные ионы. Осознав, что подобный газ имеет множество особых свойств, Ленгмюр решил наделить его собственным именем. По какой-то странной ассоциации он выбрал слово «плазма», которое до этого использовали лишь в минералогии (это еще одно название зеленого халцедона) и в биологии (жидкая основа крови, а также молочная сыворотка). В своем новом качестве термин «плазма» впервые появился в статье Ленгмюра «Колебания в ионизованных газах», опубликованной в 1928 году. Лет тридцать этим термином мало кто пользовался, но потом он прочно вошел в научный обиход.
Классическая плазма - это ионно-электронный газ, возможно, разбавленный нейтральными частицами (строго говоря, там всегда присутствуют фотоны, но при умеренных температурах их можно не учитывать). Если степень ионизации не слишком мала (как правило, вполне достаточно одного процента), этот газ демонстрирует множество специфических качеств, которыми не обладают обычные газы. Впрочем, можно изготовить плазму, в которой свободных электронов не будет вовсе, а их обязанности возьмут на себя отрицательные ионы.
Для простоты рассмотрим лишь электронно-ионную плазму. Ее частицы притягиваются или отталкиваются в соответствии с законом Кулона, причем это взаимодействие проявляется на больших расстояниях. Именно этим они отличаются от атомов и молекул нейтрального газа, которые чувствуют друг друга лишь на очень малых дистанциях. Поскольку плазменные частицы пребывают в свободном полете, они легко смещаются под действием электрических сил. Для того чтобы плазма находилась в состоянии равновесия, необходимо, чтобы пространственные заряды электронов и ионов полностью компенсировали друг друга. Если это условие не выполняется, в плазме возникают электрические токи, которые восстанавливают равновесие (например, если в какой-то области образуется избыток положительных ионов, туда мгновенно устремятся электроны). Поэтому в равновесной плазме плотности частиц разных знаков практически одинаковы. Это важнейшее свойство называется квазинейтральностью.
Практически всегда атомы или молекулы обычного газа участвуют только в парных взаимодействиях - сталкиваются друг с другом и разлетаются в стороны. Иное дело плазма. Поскольку ее частицы связаны дальнодействующими кулоновскими силами, каждая из них находится в поле ближних и дальних соседей. Это означает, что взаимодействие между частицами плазмы не парное, а множественное - как говорят физики, коллективное. Отсюда следует стандартное определение плазмы - квазинейтральная система большого числа разноименных заряженных частиц, демонстрирующих коллективное поведение.
Плазма отличается от нейтрального газа и реакцией на внешние электрические и магнитные поля (обычный газ их практически не замечает). Частицы плазмы, напротив, чувствуют сколь угодно слабые поля и немедленно приходят в движение, порождая объемные заряды и электрические токи. Еще одна важнейшая особенность равновесной плазмы - зарядовое экранирование. Возьмем частицу плазмы, скажем, положительный ион. Он притягивает электроны, которые формируют облако отрицательного заряда. Поле такого иона ведет себя в соответствии с законом Кулона лишь в его окрестности, а на расстояниях, превышающих определенную критическую величину, очень быстро стремится к нулю. Этот параметр называется дебаевским радиусом экранирования - в честь голландского физика Питера Дебая, который описал этот механизм в 1923 году.
Легко понять, что плазма сохраняет квазинейтральность, лишь если ее линейные размеры по всем измерениям сильно превышают дебаевский радиус. Стоит отметить, что этот параметр возрастает при нагреве плазмы и падает по мере увеличения 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.
В наши дни плазма используется в великом множестве технологий. Одни из них известны каждому (газосветные лампы, плазменные дисплеи), другие представляют интерес для узких специалистов (производство сверхпрочных защитных пленочных покрытий, изготовление микрочипов, дезинфекция). Однако наибольшие надежды на плазму возлагают в связи с работами по осуществлению управляемых термоядерных реакций. Это и понятно. Чтобы ядра водорода слились в ядра гелия, их надо сблизить на расстояние порядка одной стомиллиардной доли сантиметра - а там уже заработают ядерные силы. Такое сближение возможно лишь при температурах в десятки и сотни миллионов градусов - в этом случае кинетической энергии положительно заряженных ядер хватит для преодоления электростатического отталкивания. Поэтому для управляемого термоядерного синтеза необходима высокотемпературная водородная плазма.
Правда, плазма на основе обычного водорода здесь не поможет. Такие реакции происходят в недрах звезд, но для земной энергетики они бесполезны, поскольку слишком мала интенсивность энерговыделения. Лучше всего использовать плазму из смеси тяжелых изотопов водорода дейтерия и трития в пропорции 1:1 (чисто дейтериевая плазма тоже приемлема, хотя даст меньше энергии и потребует более высоких температур для поджига).
Однако для запуска реакции одного нагрева маловато. Во-первых, плазма обязана быть достаточно плотной; во-вторых, попавшие в зону реакции частицы не должны покидать ее слишком быстро - иначе потеря энергии превысит ее выделение. Эти требования можно представить в виде критерия, который в 1955 году предложил английский физик Джон Лоусон. В соответствии с этой формулой произведение плотности плазмы на среднее время удержания частиц должно быть выше некоторой величины, определяемой температурой, составом термоядерного топлива и ожидаемым коэффициентом полезного действия реактора.
Легко увидеть, что существуют два пути выполнения критерия Лоусона. Можно сократить время удержания до наносекунд за счет сжатия плазмы, скажем, до 100–200 г/см 3 (поскольку плазма при этом не успевает разлететься, этот метод удержания называют инерционным). Физики отрабатывают эту стратегию с середины 1960-х годов; сейчас ее наиболее совершенной версией занимается Ливерморская национальная лаборатория. В этом году там начнут эксперименты по компрессии миниатюрных капсул из бериллия (диаметр 1,8 мм), заполненных дейтериево-тритиевой смесью, с помощью 192 ультрафиолетовых лазерных пучков. Руководители проекта полагают, что не позднее 2012 года они смогут не только поджечь термоядерную реакцию, но и получить положительный выход энергии. Возможно, аналогичная программа в рамках проекта HiPER (High Power Laser Energy Research ) в ближайшие годы будет запущена и в Европе. Однако даже если эксперименты в Ливерморе полностью оправдают возлагаемые на них ожидания, дистанция до создания настоящего термоядерного реактора с инерционным удержанием плазмы все равно останется очень большой. Дело в том, что для создания прототипа электростанции необходима очень скорострельная система сверхмощных лазеров. Она должна обеспечить такую частоту вспышек, зажигающих дейтериево-тритиевые мишени, которая в тысячи раз превысит возможности ливерморской системы, делающей не более 5–10 выстрелов в секунду. Сейчас активно обсуждаются различные возможности создания таких лазерных пушек, но до их практической реализации еще очень далеко.
Альтернативно можно работать с разреженной плазмой (плотностью в нанограммы на кубический сантиметр), удерживая ее в зоне реакции не менее нескольких секунд. В таких экспериментах вот уже более полувека применяют различные магнитные ловушки, которые удерживают плазму в заданном объеме за счет наложения нескольких магнитных полей. Самыми перспективными считают токамаки - замкнутые магнитные ловушки в форме тора, впервые предложенные А. Д. Сахаровым и И. Е. Таммом в 1950 году. В настоящее время в различных странах работает с дюжину таких установок, крупнейшие из которых позволили приблизиться к выполнению критерия Лоусона. Международный экспериментальный термоядерный реактор, знаменитый ITER, который построят в поселке Кадараш неподалеку от французского города Экс-ан-Прованс, - тоже токамак. Если все пойдет по плану, ITER позволит впервые получить плазму, удовлетворяющую лоусоновскому критерию, и поджечь в ней термоядерную реакцию.
«За последние два десятка лет мы добились огромного прогресса в понимании процессов, которые происходят внутри магнитных плазменных ловушек, в частности - токамаков. В целом мы уже знаем, как движутся частицы плазмы, как возникают неустойчивые состояния плазменных потоков и до какой степени увеличивать давление плазмы, чтобы ее все-таки можно было удержать магнитным полем. Были также созданы новые высокоточные методы плазменной диагностики, то есть измерения различных параметров плазмы, - рассказал «ПМ» профессор ядерной физики и ядерных технологий Массачусетского технологического института Йен Хатчинсон, который свыше 30 лет занимается токамаками. - К настоящему времени в крупнейших токамаках достигнуты мощности выделения тепловой энергии в дейтериево-тритиевой плазме порядка 10 мегаватт на протяжении одной-двух секунд. ITER превзойдет эти показатели на пару порядков. Если мы не ошибаемся в расчетах, он сможет выдавать не менее 500 мегаватт в течение нескольких минут. Если уж совсем повезет, энергия будет генерироваться вообще без ограничения времени, в стабильном режиме».
Волны в плазме
Коллективный характер внутриплазменных явлений приводит к тому, что эта среда гораздо более склонна к возбуждению различных волн, нежели нейтральный газ. Простейшие из них изучали еще Ленгмюр с его коллегой Леви Тонксом (более того, анализ этих колебаний сильно укрепил Ленгмюра в мысли, что он имеет дело с новым состоянием вещества). Пусть в каком-то участке равновесной плазмы немного изменилась электронная плотность — иначе говоря, группа соседних электронов сдвинулась из прежнего положения. Тут же возникнут электрические силы, возвращающие удравшие электроны в начальную позицию, которую те по инерции чуть-чуть проскочат. В итоге появится очаг колебаний, которые станут распространяться по плазме в виде продольных волн (в очень холодной плазме они могут быть и стоячими). Эти волны так и называются — ленгмюровскими.
Открытые Ленгмюром колебания накладывают ограничение на частоту электромагнитных волн, которые могут проходить через плазму. Она должна превышать ленгмюровскую частоту, в противном случае электромагнитная волна затухнет в плазме или же отразится, как свет от зеркала. Это и происходит с радиоволнами с длиной волны свыше примерно 20 м, которые не проходят сквозь земную ионосферу.
В намагниченной плазме могут рождаться и поперечные волны. Впервые их существование в 1942 году предсказал шведский астрофизик Ханнес Альфвен (в эксперименте их обнаружили 17 годами позже). Альфвеновские волны распространяются вдоль силовых линий внешнего магнитного поля, которые вибрируют, как натянутые струны (плазменные частицы, ионы и электроны, смещаются перпендикулярно этим линиям). Интересно, что скорость таких волн определяется только плотностью плазмы и напряженностью магнитного поля, однако не зависит от частоты. Волны Альфвена исполняют немалую роль в космических плазменных процессах — считается, например, что именно они обеспечивают аномальный нагрев солнечной короны, которая в сотни раз горячее солнечной атмосферы. Им сродни и свистящие атмосферики, волновые хвосты грозовых разрядов, которые создают радиопомехи. В плазме возникают и волны более сложной структуры, обладающие как продольными, так и поперечными компонентами.
Профессор Хатчинсон также подчеркнул, что ученые сейчас хорошо понимают характер процессов, которые должны происходить внутри этого огромного токамака: «Мы даже знаем условия, при которых плазма подавляет свои собственные турбулентности, а это очень важно для управления работой реактора. Конечно, необходимо решить множество технических задач - в частности, завершить разработку материалов для внутренней облицовки камеры, способных выдержать интенсивную нейтронную бомбардировку. Но с точки зрения физики плазмы картина достаточно ясна - во всяком случае мы так считаем. ITER должен подтвердить, что мы не ошибаемся. Если все так и будет, придет черед и токамаку следующего поколения, который станет прототипом промышленных термоядерных реакторов. Но сейчас об этом говорить еще рано. А пока мы рассчитываем, что ITER начнет работать в конце этого десятилетия. Скорее всего, он сможет генерировать горячую плазму никак не раньше 2018 года - во всяком случае по нашим ожиданиям». Так что с точки зрения науки и техники у проекта ITER неплохие перспективы.
Плазменные чудеса
Где только не используется плазма в фантастических романах - от оружия и двигателей до плазменных форм жизни. Реальные профессии плазмы, впрочем, выглядят не менее фантастически.
Плазменное оружие - наиболее часто встречающееся применение плазмы в фантастике. Гражданские применения значительно скромнее: обычно речь идет о плазменных двигателях. Такие двигатели существуют и в реальности, «ПМ» неоднократно писала о них (№2, 2010 , №12, 2005). Между тем другие возможности использования плазмы, о которых нам рассказал глава филадельфийского Дрекселовского института плазмы Александр Фридман, в обычной жизни выглядят не менее, а то и более фантастично.
Использование плазмы позволяет решать задачи, которые еще не так давно решению не поддавались. Возьмем, к примеру, переработку угля или биомассы в горючий газ, богатый водородом. Немецкие химики научились этому еще в середине 30-х годов прошлого века, что позволило Германии во время Второй мировой войны создать мощную индустрию по выпуску синтетического горючего. Однако это чрезвычайно затратная технология, и в мирное время она неконкурентоспособна.
По словам Александра Фридмана, в настоящее время уже созданы установки для генерации мощных разрядов холодной плазмы, в которой температура ионов не превышает сотен градусов. Они дают возможность дешево и эффективно получать из угля и биомассы водород для синтетического горючего или же заправки топливных элементов. Причем установки эти достаточно компактны, чтобы их можно было разместить на автомобиле (на стоянке, например, для работы кондиционера не нужно будет включать двигатель - энергию дадут топливные элементы). Отлично работают и полупромышленные пилотные установки для переработки угля в синтез-газ с помощью холодной плазмы.
«В упомянутых процессах углерод рано или поздно окисляется до двуокиси и моноокиси, - продолжает профессор Фридман. - А вот лошади получают энергию, перерабатывая овес и сено в навоз и выделяя лишь небольшое количество углекислого газа. В их пищеварительной системе углерод окисляется не полностью, а лишь до субоксидов, в основном до С 3 О 2 . Эти вещества лежат в основе полимеров, из которых состоит навоз. Конечно, в этом процессе выделяется приблизительно на 20% меньше химической энергии, чем при полном окислении, но зато практически отсутствуют парниковые газы. В нашем институте мы сделали экспериментальную установку, которая с помощью холодной плазмы как раз и способна перерабатывать бензин в такой вот продукт. Это настолько впечатлило большого поклонника автомобилей - принца Монако Альберта II, что он заказал нам автомобиль с такой силовой установкой. Правда, пока только игрушечный, которому к тому же нужно дополнительное питание - батарейки для конвертера. Такая машинка будет ездить, выбрасывая что-то вроде катышков сухого помета. Правда, для работы конвертера нужна батарейка, которая сама по себе гоняла бы игрушку несколько быстрее, но ведь, как говорится, лиха беда начало. Я могу себе представить, что лет через десять появятся настоящие автомобили с плазменными конверторами бензина, которые будут ездить, не загрязняя атмосферу».
Одно из чрезвычайно перспективных применений холодной плазмы - в медицине. Давно известно, что холодная плазма порождает сильные окислители и поэтому отлично подходит для дезинфекции. Но для ее получения нужны напряжения в десятки киловольт, с ними лезть в человеческий организм опасно. Однако, если эти потенциалы генерируют токи небольшой силы, никакого вреда не будет. «Мы научились получать в холодной плазме очень слабые однородные разрядные токи под напряжением в 40 киловольт, - говорит профессор Фридман.– Оказалось, что такая плазма быстро заживляет раны и даже язвы. Сейчас этот эффект изучается десятками медицинских центров в различных странах. Уже выяснилось, что холодная плазма может превратиться в орудие борьбы с онкологическими заболеваниями - в частности, с опухолями кожи и мозга. Конечно, пока опыты производятся исключительно на животных, но в Германии и России уже получено разрешение на клинические испытания нового метода лечения, а в Голландии делают очень интересные эксперименты по плазменному лечению воспаления десен. Кроме того, около года назад мы смогли зажечь холодный разряд прямо в желудке живой мыши! При этом выяснилось, что он хорошо работает для лечения одной из тяжелейших патологий пищеварительного тракта - болезни Крона. Так что сейчас на наших глазах рождается плазменная медицина - совершенно новое медицинское направление».
Кроме перечисленных выше трех состоянии вещество может находиться в четвертом агрегатном состоянии – плазменном ,которое открыто сравнительно недавно. Состояние плазмы возникает в том случае, если на вещество в газообразном состоянии действуют такие сильные ионизирующие факторы, как сверхвысокие температуры (в несколько миллионов градусов), мощные электрические разряды или электромагнит-ные излучения. При этом происходит разрушение молекул и атомов вещества и превращение его в смесь, состоящую из положительно заряженных ядер и электронов, движущихся с колоссальными скоростями. По этой причине плазму иногда называют электронно-ядерным газом.
Различают два вида плазмы: изотермическую и газоразрядную.
Изотермическая плазма получается при высоких температурах, под влиянием которых имеет место термическая диссоциация атомов вещества, и может существовать неограниченно долго. Такой вид плазмы представляет собой вещество звезд, а также шаровых молний. Ионосфера Земли – это также особая разновидность плазмы; однако в данном случае ионизация происходит под влиянием ультрафиолетового излучения Солнца.
Изотермическая плазма играет исключительно важную роль в космических процессах. Три других агрегатных состояния вещества в космическом пространстве являются исключением.
Газоразрядная плазма образуется при электрическом разряде и поэтому устойчива только при наличии электрического поля. Как только прекращается действие внешнего поля, газоразрядная плазма вследствие образования нейтральных атомов из ионов и электронов исчезает в течение 10 –5 -10 –4 с.
Одним из замечательных свойств плазмы является ее высокая электрическая проводимость. Чем выше температура плазмы, тем выше ее проводимость. В силу этого через плазму можно пропускать токи в сотни тысяч и миллионы ампер.
При пропускании через плазму таких токов можно поднять ее температуру до десятков и даже сотен миллионов градусов, а давление – до десятка гигапаскалей. Подобные условия, как известно, близки к проведению термоядерных реакций синтеза , при которых можно получать колоссальные количества энергии.
Как известно, энергия выделяется не только при делении ядер, но и при их синтезе, т. е. при слиянии более легких ядер в более тяжелые. Задача в этом случае состоит в том, чтобы, преодолев электрическое отталкивание, сблизить легкие ядра на достаточно малые расстояния, где между ними начинают действовать ядерные силы притяжения. Так, например, если бы можно было заставить два протона и два нейтрона объединиться в ядро атома гелия, то при этом выделилась бы огромная энергия. С помощью нагрева до высоких температур в результате обычных столкновений ядра могут сблизиться на столь малые расстояния, что ядерные силы вступят в действие и произойдет синтез. Начавшись, процесс синтеза, как показывают расчеты, может дать такое количество теплоты, которое нужно для поддержания высокой температуры, необходимой для дальнейших слияний ядер, т.е. процесс будет идти непрерывно. При этом получается такой мощный источник тепловой энергии, что ее количество можно контролировать только количеством необходимого материала. В этом и состоит сущность проведения управляемой термоядерной реакции синтеза.
При прохождении через плазму электрический ток создает сильное магнитное поле, которое сжимает поток электронов и ионов в плазменный шнур .Этим достигается тепловая изоляция плазмы от стенок сосуда. С увеличением силы тока электромагнитное сжатие плазмы проявляется сильнее. В этом заключается сущность так называемого пинч-эффекта .Как показали исследования, пинч-эффект и, силы, создаваемые внешними магнитными полями, меняющимися по определенному закону, можно с успехом использовать для удержания плазмы в «магнитной бутылке», где происходит реакция синтеза.
ТЕОРИЯ ХИМИЧЕСКОЙ СВЯЗИ
Общие положения учения о химической связи. Ковалентная связь
Понятие о химической связи является одним из основополагающих в современной науке. Без знания природы взаимодействия атомов невозможно понять механизм образования химических соединений, их состав и реакционную способность, и тем более, прогнозировать свойства новых материалов.
Самые первые и не вполне четкие представления о химической связи ввел Кекуле в 1857 г. Он указывал, что число атомов, связанных с атомом другого элемента, зависит от основности составных частей .
Впервые собственно термин «химическая связь» был введен А.М. Бутлеровым в 1863 г. В создании учения о химической связи большую роль сыграла его теория химического строения, предложенная в 1861 г. Однако, сформулировав основные положения теории, Бутлеров тогда еще не употреблял термина «химическая связь». Положения его учения таковы:
1. Атомы в молекулах соединены друг с другом в определенной последовательности. Изменение этой последовательности приводит к образованию нового вещества с новыми свойствами.
2. Соединение атомов происходит в соответствии с их валентнос-тью.
3. Свойства веществ зависят не только от состава, но и от их «химического строения», т.е. от порядка соединения атомов в молекулах и характера их взаимного влияния.
Таким образом, свойства веществ определяются не только их качественным и количественным составом, но и внутренней структурой молекул.
В 1863 г. в работе «О различных объяснениях некоторых случаев изомерии» Бутлеров уже говорит о «способе химической связи между атомами», о «химической связи отдельных атомов».
Что же представляет собой термин «химическая связь»?
Можно дать ряд определений этого понятия, но самое очевидное из них то, что химическая связь – это взаимодействие, возникающее между атомами в процессе образования веществ .
Научное объяснение природы химической связи смогло появиться только после возникновения учения о строении атома. В 1916 г. американский ученый физико-химик Льюис высказал предположение, что химическая связь возникает путем спаривания электронов, принадлежа-щих различным атомам. Эта идея явилась исходным пунктом для современной теорииковалентной химической связи .
В том же году немецкий ученый Коссель предположил, что при взаимодействии двух атомов один из них отдает, а другой – принимает электроны. Электростатическое взаимодействие образующихся ионов и приводит к получению устойчивого соединения. Развитие идей Косселя привело к созданию теории ионной связи .
В любом случае химическая связь имеет электрическое происхождение, т.к. обусловлена, в конечном счете, взаимодействием электронов.
Одной из причин возникновения химической связи является стремление атомов принять более устойчивое состояние. Необходимое условие образования химической связи – уменьшение потенциальной энергии системы взаимодействующих атомов.
При химических реакциях ядра атомов и внутренние электронные оболочки не претерпевают изменений. Химическая связь осуществляется за счет взаимодействия наиболее удаленных от ядра электронов, называемых валентными .
Валентными являются: у s-элементов – s-электроны внешнего энергетического уровня, у р-элементов – s- и р- электроны внешнего энергетического уровня, у d-элементов – s-электроны внешнего и d-электроны предвнешнего энергетических уровней, у f-элементов – s-электроны внешнего и f-электроны третьего снаружи энергетических уровней.
Обычно различают пять основных типов химической связи: ионную, ковалентную, металлическую, водородную, а также межмолекулярные взаимодействия , обусловленные силами Ван - дер - Ваальса, причем три первых типа связи существенно прочнее двух последних.
Современное учение о химической связи основано на квантово-механических представлениях. Для описания химической связи в настоящее время широко используются два метода: метод валентных связей (МВС) и метод молекулярных орбиталей (ММО).
Метод ВС более прост и нагляден, поэтому рассмотрение теории химической связи начнем именно с него.
Рассмотрим наиболее часто встречающуюся ковалентную химичес-кую связь.
Метод валентных связей
В основе метода ВС лежат следующие положения.
1. Ковалентная химическая связь образуется двумя электронами с противоположно направленными спинами, причем эта электронная пара принадлежит одновременно двум атомам. Сами же атомы сохраняют свою индивидуальность.
2. Ковалентная химическая связь тем прочнее, чем в большей степени перекрываются взаимодействующие электронные облака.
В широком смысле слова ковалентная связь – это химическая связь между атомами, осуществляемая путем обобществления электронов. Ковалентную связь можно рассматривать как универсальный, самый распространенный тип химической связи.
Для точного описания состояния электрона в молекуле необходи-мо решить уравнение Шредингера для соответствующей системы электронов и ядер, задавшись условием минимума энергии. Однако, в настоящее время решение уравнения Шредингера возможно лишь для самых простых систем. Впервые приближенный расчет волновой функции электрона был произведен в 1927 г. Гейтлером и Лондоном для молекулы водорода.
Рис. 4.1. Зависимость энергии системы из двух атомов водорода от
межъядерного расстояния для электронов с параллельными (1) и
антипараллельными (2) спинами.
В результате проведенной работы они получили уравнение, связывающее потенциальную энергию системы с расстоянием между ядрами двух атомов водорода. При этом оказалось, что результаты расчетов зависят от того, одинаковы или противоположны по знаку спины обоих электронов.
При параллельных спинах сближение атомов приводит к непрерыв-ному возрастанию энергии системы. При противоположно направленных спинах сближение атомов до некоторого расстояния r 0 сопровождается снижением энергии системы, после чего она вновь начинает возрастать (рис. 4.1).
Таким образом, если спины электронов параллельны, образования химической связи по энергетическим причинам не происходит, а в случае же противоположно направленных спинов электронов образуется молекула Н 2 – устойчивая система из двух атомов водорода, расстояние между ядрами которых составляет r 0 .
Это расстояние r 0 существенно меньше удвоенного атомного радиуса (для молекулы водорода – соответственно 0,074 и 0,106 нм), следовательно, при образовании химической связи происходит взаимное перекрывание электронных облаков, реагирующих атомов (рис. 3.2).
 |
Рис. 4.2. Схема перекрывания электронных облаков при образовании
молекулы водорода
Вследствие перекрывания облаков электронная плотность между ядрами повышается, при этом возрастают силы притяжения между этой областью отрицательного заряда и положительно заряженными ядрами взаимодействующих атомов. Возрастание сил притяжения сопровож-дается выделением энергии, что и приводит к образованию химической связи.
При изображении структурных формул связь обозначают черточкой либо двумя точками (точка обозначает электрон):
Н – Н Н: Н
В рассмотренном случае обобществляются электроны, находящие-ся на s-орбиталях атомов водорода. Других электронов у атома водорода нет. В случае же, например, галогенов у каждого взаимодействующего атома на внешнем энергетическом уровне находятся также по три пары электронов, не участвующие в образовании химической связи (два s-электрона и четыре р-электрона):
 |
Химическая связь в молекуле F 2 образуется за счет взаимодейст-вия неспаренных электронов, находящихся на атомных р-орбиталях, осталь-ные электроны участия в образовании химической связи не принимают (часто их называют неподеленными электронными парами).
В образовании молекул H 2 и F 2 принимают участие лишь по одному электрону от каждого атома. Ковалентная связь, образованная одной парой электронов, называется одинарной связью.
Связь, образованная двумя или тремя парами электронов, назы-вается кратной связью. Так, атомы кислорода и азота содержат соот-ветственно два и три неспаренных электрона:
 |
Следовательно, в образовании молекул О 2 и N 2 принимают участие соответственно два или три электрона от каждого атома. Таким образом, связь в молекуле кислорода двойная, а в молекуле азота – тройная:
Каким способом может образовываться кратная связь? Все ли связи в этих случаях равноценны? Для ответа на этот и другие сопутствующие вопросы следует рассмотреть основные характеристики ковалентной связи.
