Следует также рассмотреть особенности движения частиц пла-
змы. Движения частиц обычного газа ограничиваются только столкновениями между собой или со стенками сосуда, в котором находиться этот газ. Движение частиц плазмы может быть ограничено магнитным полем. Плазму можно сдерживать магнитной стенкой, толкать магнитным поршнем, запирать в магнитной ловушке. В сильном магнитном поле частицы плазмы крутятся вокруг магнитных силовых линий. Вдоль магнитного поля частица движется свободно. Подробнее об этом будет рассказано ниже.
Квазинейтральность плазмы.
Даже в том случае, если плазма образуется в результате иони-
зации химически простого газа, например азота, кислорода, паров ртути, её ионная компонента будет содержать ионы различных сортов – с одним, двумя, тремя или более электронными зарядами. Следует отметить, что кроме атомарных ионов могут присутствовать молекулярные ионы, а также нейтральные атомы и молекулы. Каждая из этих компонент будет характеризоваться своей концентрацией n и температурой T. В общем случае, когда в плазме присутствуют однозарядные ионы с концентрацией n1, двухзарядные – с концентрацией n2, трёхзарядные – с концентрацией n3 и т.д., можно записать равенство: ne = n1 + 2n2 + 3n3 + … Такое соотношение между концентрацией отрицательных и положительных зарядов в плазме говорит о том, что плазма в целом квазинейтральна, т.е. в ней нет заметного избытка зарядов одного знака над зарядами другого. На этом свойстве плазмы следует остановиться несколько подробнее, т.к. оно имеет существенное значение и, в конечном счёте, в нём содержится самоё определение понятия «плазма». Естественно возникает вопрос: «С какой степенью точности в ионизированном газе должно соблюдаться условие квазинейтральности?». Каким бы путём не создавалась ионизация, заранее совсем не очевидно, что положительных и отрицательных зарядов должно быть поровну. Из-за различия в скоростях движения электронов и ионов, первые могут с большей лёгкостью покидать объём, в котором они возникли. Поэтому если благодаря процессам ионизации атомов первоначально образуется одинаковое количество зарядов противоположного знака, то из-за быстрого исчезновения электронов, погибающих на стенках аппаратуры, внутри которой находиться ионизированный газ, ионы, казалось бы, должны оставаться в значительном большинстве, т.е. не о какой нейтральности не может быть и речи. С другой стороны, необходимо учесть, что при преимущественной утечке зарядов одного знака в ионизированном газе немедленно образуется избыток зарядов другого знака, который способствует выравниванию потока электронов и ионов и препятствует увеличению разницы между концентрациями частиц обоих знака. Условия, при которых этот эффект будет достаточен для того, чтобы поддерживать квазинейтральность, можно описать следующим образом.
Допустим для простоты, что в ионизированном газе присут –
ствуют кроме ионов только однозарядные ионы. Квазинейтральность означает, что ne очень мало отличается от ni. Как отразиться на поведении отдельных частиц заметное отклонение ne от ni? Здесь сразу же выделяются два крайних случая. Если число заряженных частиц в объёме невелико, то создаваемые ими электрические поля слишком слабы для того, чтобы повлиять на их движение, даже если все поля складываются. В этом случае отдельные электроны и ионы в своём поведении никак не связаны друг с другом и каждая частица движется так, как будто все другие отсутствуют. Следовательно условие квазинейтральности здесь не обязательно выполняется. Противоположный случай ионизированному газу с высокой концентрацией заряженных частиц, занимающему большой объём. В этом случае избыточные заряды, возникающие при сильном нарушении равенства между ne и ni, создают электрические поля, достаточные для выравнивания потоков и восстановления квазинейтральности.
В конечном счёте всё зависит от соотношения между потен-
циальной энергией отдельного иона или электрона в электрическом поле, возникающем при нарушении квазинейтральности, и величиной средней кинетической энергии частиц, связанной с их тепловым движением.
До сих пор речь шла о газовой плазме. Однако плазменные яв-
ления возникают часто в объектах, казалось бы, далёких от газов.
Остановимся, например, на металлах или полупроводниках. По
современным представлениям их структура такова: есть решётка, состоящая из упорядоченно расположенных частиц – ионов или нейтральных частиц, и есть газ хаотически перемещающихся носителей электричества, называемых электронами (заряд отрицательный) и дырками (заряд положительный). Электроны и дырки в твёрдых телах не являются частицами в полном смысле этого слова: в свободном состоянии именно таких частиц (т.е. с соответствующими зарядом и массой) нет. Тем не менее уравнения, описывающие их движение, подобны уравнениям, описывающим движения обычных частиц – с той разницей, что роль массы здесь играют некоторые величины, зависящие от структуры вещества. Эти величины обычно именуют эффективными массами электронов и дырок. Поэтому электроны и дырки в твёрдых телах именуют квазичастицами (лат. quasi – почти). Поскольку поведение заряженных квазичастиц аналогично поведению электронов и ионов, то и свойства газа электронов и дырок сходны со свойствами газовой плазмы. Отсюда и название такой системы – твёрдотельная плазма.
Движение частиц плазмы.
Хотя мы можем рассматривать плазму как некоторую частную
форму газовой смеси (в простейшем случае как смесь двух компонент: электронного и ионного газа), однако по целому ряду основных физических свойств она отличается от обычного газа, содержащего лишь нейтральные частицы. Это различие проявляется прежде всего в поведении плазмы под действием электрических и магнитных полей. В противоположность обычному нейтральному газу, на который электрические и магнитные поля не оказывают заметного воздействия, плазма под действием таких полей может очень сильно изменять свои свойства. Под действием электрического поля (даже очень слабого) в плазме появляется электрический ток. В магнитном поле плазма ведёт себя, как очень своеобразное диамагнитное вещество. Плазма может также интенсивно взаимодействовать с электромагнитными волнами. В частности, это находит выражение в том, что радиоволны могут отражаться от плазмы, как от зеркала.
Попытаемся сначала нарисовать самую общую картину движе-
ния заряженной частицы в плазме. Путь каждого иона или электрона можно сначала очень грубо представить себе состоящим из отрезков, на протяжении которых частица движется свободно, не испытывая
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.
Напряжённость собственного электрического поля плазмы ис-
пытывает сильные хаотичес- кие колебания как во времени, так и в пространстве, быстро изменяясь на очень малых расстояниях.
Заряженная частица, находя-
щаяся в электрическом поле, движется по законам, напоми-
нающим обычные законы движения тел в поле тяжести.
Обратимся к рисунку, на котором показаны траектории заряженных частиц в электрическом поле, направленном по вертикальной оси. Стрелки изображают скорости движения частиц в некоторый момент времени. Сила, действующая на заряженную частицу, равна qE, где q – заряд и E – напряжённость поля. Для однозарядных частиц q = ± e, где e – элементарный электрический заряд, а для многозарядных ионов q представляет собой небольшое целое, кратное e (e= к). Под действием этой силы однозарядный положительный ион с массой mi приобретает ускорение , которое направленно вдоль вертикальной оси вверх. Ускорение электрона направлено вниз и численно равно , где me – масса электрона. Электрон гораздо легче иона, и поэтому ускорение, которое получает электрон, во много раз больше, чем ускорение иона. Траектория заряженной частицы в однородном электрическом поле всегда составляет собой пораболу. Форма этой пораболы зависит от свойств частицы, начальных условий движения и величины E. Пусть, например, электрическое поле направленно по оси y, а начальная скорость v0 – вдоль оси x (траектория I на рисунке). В этом случае движение частицы по оси x будет равномерным, а по оси y – равноускоренным.
Применение плазмы в науке и технике.
Электрическая дуга – наиболее подходящая среда для таких ре-
акций, которые не могут протекать в обычных условиях по термодинамическим причинам. Можно зажечь плазму в кислороде и использовать высокую реакционную способность получающегося при этом озона. В азотной плазме можно получить такие экзотические соединения, как тетрафторид азота N2F4 или нитрид титана TiN. Водородная плазма проявляет восстанавливающее действие, поэтому её можно применять для вскрытия железных руд. Продолжительность реакций в высокотемпературной плазме крайне мала. Метан, например, при 4 800 – 5 300 K за 1/10000 c на 75 - 80% превращается в ацителен. Главным преимуществом методов плазмохимии является то, что состав исходного сырья может колебаться в широких пределах. Реакции могут протекать и в холодной плазме при температурах ниже 400 K. Интересным примером может послужить азотирование в тлеющем разряде, применяемое для поверхностного упрочнения стали.
Плазма – ещё мало изученный объект не только в физике, но и
в химии (плазмохимии), астрономии и многих других науках. Поэтому важнейшие технические положения физики плазмы до сих пор не вышли из стадии лабораторной разработки. В настоящее время плазма активно изучается т.к. имеет огромное значение для науки и техники. Эта тема интересна ещё и тем, что плазма – четвёртое состояние вещества, о существовании которого люди не подозревали до XX века. Возможно, что плазма и есть тот первоэлемент, который так упорно искали алхимики средних веков?
Использованная литература:
1. Арцимович Л.А. Элементарная физика плазмы, М, Атомиздат, 1966.
2. Вурзель Ф.Б., Полак Л.С. Плазмохимия, М, Знание, 1985.
3. Ораевский Н.В. Плазма на Земле и в космосе, К, Наукова думка, 1980.
4. Поллер З. Химия на пути в третье тысячелетие, М, Мир, 1982.
5. Франк-Каменецкий Д.А. Плазма – четвёртое состояние вещества, М, Атомиздат, 1975.
6. Энциклопедический словарь юного физика, 3 изд., М, Педагогика-Пресс, 1995.
Страницы: 1, 2
