Текст книги "Большая Советская Энциклопедия (ПЛ)"

Плазма

Пла'зма (от греч. plásma – вылепленное, оформленное), частично или полностью ионизованный газ, в котором плотности положительных и отрицательных зарядов практически одинаковы. При достаточно сильном нагревании любое вещество испаряется, превращаясь в газ. Если увеличивать температуру и дальше, резко усилится процесс термической ионизации, т. е. молекулы газа начнут распадаться на составляющие их атомы, которые затем превращаются в ионы. Ионизация газа, кроме того, может быть вызвана его взаимодействием с электромагнитным излучением (фотоионизация) или бомбардировкой газа заряженными частицами.

  Свободные заряженные частицы – особенно электроны – легко перемещаются под действием электрического поля. Поэтому в состоянии равновесия пространственные заряды входящих в состав П. отрицательных электронов и положительных ионов должны компенсировать друг друга так, чтобы полное поле внутри П. было равно нулю. Именно отсюда вытекает необходимость практически точного равенства плотностей электронов и ионов в П.– её «квазинейтральности». Нарушение квазинейтральности в объёме, занимаемом П., ведёт к немедленному появлению сильных электрических полей пространственных зарядов, тут же восстанавливающих квазинейтральность. Степенью ионизации П. a называется отношение числа ионизованных атомов к полному их числу в единице объёма П. В зависимости от величины a говорят о слабо, сильно и полностью ионизованной П.

  Средние энергии различных типов частиц, составляющих П., могут отличаться одна от другой. В таком случае П. нельзя охарактеризовать одним значением температуры Т и различают электронную температуру T_e, ионную температуру T_i, (или ионные температуры, если в П. имеются ионы нескольких сортов) и температуру нейтральных атомов T_a (нейтральной компоненты). Подобная П. называется неизотермической, в то время как П., для которой температуры всех компонент равны, называется изотермической.

  Применительно к П. несколько необычный смысл (по сравнению с др. разделами физики) вкладывается в понятия «низкотемпературная» и «высокотемпературная». Низкотемпературной принято считать П. с T_i £ 10⁵ К, а высокотемпературной – П. с T_i  » 10⁶—10⁸ К и более. Это условное разделение связано как с возможностью для П. достигать чрезвычайно больших температур, так и с особой важностью высокотемпературной П. в связи с проблемой осуществления управляемого термоядерного синтеза(УТС).

  В состоянии П. находится подавляющая часть вещества Вселенной – звёзды, звёздные атмосферы, туманности галактические и межзвёздная среда. Около Земли П. существует в космосе в виде солнечного ветра, заполняет магнитосферу Земли (образуя радиационные пояса Земли) и ионосферу. Процессами в околоземной П. обусловлены магнитные бури и полярные сияния. Отражение радиоволн от ионосферной П. обеспечивает возможность дальней радиосвязи на Земле.

  В лабораторных условиях и промышленных применениях П. образуется в электрическом разряде в газах (дуговом разряде, искровом разряде, тлеющем разряде и пр.), в процессах горения и взрыва, используется в плазменных ускорителях, магнитогидродинамических генераторах и во многих др. устройствах (см. раздел Применения плазмы).

  Высокотемпературную П. получают в установках для исследования возможных путей осуществления УТС. Многими характерными для П. свойствами обладают совокупности электронов проводимости и дырок в полупроводниках и электронов проводимости (нейтрализуемых неподвижными положительными ионами) в металлах, которые поэтому называются плазмой твёрдых тел. Её отличительная особенность – возможность существования при сверхнизких для «газовой» П. температурах – комнатной и ниже, вплоть до абсолютного нуля температуры.

  Возможные значения плотности П. n (число электронов или ионов в см³) расположены в очень широком диапазоне: от n ~ 10^-6 в межгалактическом пространстве и n ~ 10 в солнечном ветре до n ~ 10²² для твёрдых тел и ещё больших значений в центральных областях звёзд.

  Термин «П.» в физике был введён в 1923 американским учёными И. Ленгмюром и Л. Тонксом, проводившими зондовые измерения (см. ниже) параметров низкотемпературной газоразрядной П. Кинетика П. рассматривалась в работах Л. Д. Ландау в 1936 и 1946 и А. А. Власовав 1938. В 1942 Х. Альфвенпредложил уравнения магнитной гидродинамики для объяснения ряда явлений в космической П. В 1950 И. Е. Тамм и А. Д. Сахаров, а также американский физик Л. Спицер предложили идею магнитной термоизоляции П. для осуществления УТС. В 50—70-е гг. 20 в. изучение П. стимулировалось различными практическими применениями П., развитием астрофизики и космофизики (наблюдение космической П. и объяснение процессов в ней) и физики верхней атмосферы Земли – особенно в связи с полётами космических летательных аппаратов, а также интенсификацией исследований по проблеме УТС.

  Основные свойства плазмы.В резком отличии свойств П. от свойств нейтральных газов определяющую роль играют два фактора. Во-первых, взаимодействие частиц П. между собой характеризуется кулоновскими силами притяжения и отталкивания, убывающими с расстоянием гораздо медленнее (т. е. значительно более «дальнодействующими»), чем силы взаимодействия нейтральных частиц. По этой причине взаимодействие частиц в П. является, строго говоря, не «парным», а «коллективным» – одновременно взаимодействует друг с другом большое число частиц. Во-вторых, электрические и магнитные поля очень сильно действуют на П. (в то время как они весьма слабо действуют на нейтральные газы), вызывая появление в П. объёмных зарядов и токов и обусловливая целый ряд специфических свойств П. Эти отличия позволяют рассматривать П. как особое, четвёртое состояние вещества.

  К важнейшим свойствам П. относится упомянутая выше квазинейтральность. Она соблюдается, если линейные размеры области, занимаемой П., много больше дебаевского радиуса экранирования

(e_e и e_i — заряды электронов и ионов, n_eи n_i — электронная и ионная плотности, k – Больцмана постоянная, здесь и ниже используется абсолютная система единиц Гаусса, см. СГС система единиц). Следовательно, лишь при выполнении этого условия можно говорить о П. как таковой. Электрическое поле отдельной частицы в П. «экранируется» частицами противоположного знака, т. е. практически исчезает, на расстояниях порядка D от частицы. Величина D определяет и глубину проникновения внешнего электростатического поля в П. (экранировка этого поля также вызывается появлением в П. компенсирующих полей пространственных зарядов). Квазинейтральность может нарушаться вблизи поверхности П., где более быстрые электроны вылетают по инерции за счёт теплового движения на длину ~ D) (рис. 1).

  П. называется идеальной, если потенциальная энергия взаимодействия частиц мала по сравнению с их тепловой энергией. Это условие выполняется, когда число частиц в сфере радиуса D велико: N_D = (⁴/₃) pD³n >> 1. В молнии Т ~ 2 х 10⁴ К, n~ 2,5 ×10¹⁹ (плотность воздуха) и, следовательно, D ~ 10^-7см, но N_D ~¹/₁₀ Такую П. называют слабонеидеальной.

  Помимо хаотического теплового движения, частицы П. могут участвовать в упорядоченных «коллективных процессах», из которых наиболее характерны продольные колебания пространственного заряда, называемые ленгмюровскими волнами. Их угловая частота w _{=  называется плазменной частотой (m = 9 × 10^-28 г – масса электрона). Многочисленность и разнообразие коллективных процессов, отличающие П. от нейтрального газа (см. ниже раздел Колебания и неустойчивости плазмы), обусловлены «дальностью» кулоновского взаимодействия частиц П., благодаря чему П. можно рассматривать как упругую среду, в которой легко возбуждаются и распространяются различные шумы, колебания и волны.}

  В магнитном поле с индукциейВна частицы П. действует Лоренца сила; в результате этого заряженные частицы П. вращаются с циклотронными частотамиw_B = е B/mc по ларморовским спиралям (кружкам) радиуса r_B = u_^/ w_в, где с – скорость света, е и m — заряд и масса электрона или иона (u_^ — перпендикулярная Всоставляющая скорости частицы; подробнее см. Магнитные ловушки). В таком взаимодействии проявляется диамагнетизм П.: создаваемые электронами и ионами круговые токи уменьшают внешнее магнитное поле; при этом электроны вращаются по часовой стрелке, а ионы – против неё (рис. 2).

  Магнитные моменты круговых токов равны mu_^² / 2B, и в неоднородном поле на них действует (диамагнитная) сила, стремящаяся вытолкнуть частицу П. из области сильного поля в область более слабого поля, что является важнейшей причиной неустойчивости П. в неоднородных полях.

  Взаимные столкновения частиц в П. описывают эффективными поперечными сечениями, характеризующими «площадь мишени», в которую нужно «попасть», чтобы произошло столкновение. Например, электрон, пролетающий мимо иона на расстоянии так называемого прицельного параметра r (рис. 3), отклоняется силой кулоновского притяжения на угол q, примерно равный отношению потенциальной энергии к кинетической, так что q » 2 r_^/ r, где r_^ = e²/mu² » e²/kT (здесь r_^ – прицельное расстояние, при котором угол отклонения q = 90°). На большие углы q ~ 1 рад рассеиваются все электроны, попадающие в круг с площадью s_близ » 4pr_^², которую можно назвать сечением «близких» столкновений. Если, однако, учесть и далёкие пролёты с r >> r_^, то эффективное сечение увеличивается на множитель L = ln (D/r_^), называется кулоновским логарифмом. В полностью ионизованной П. обычно L~ 10—15, и вкладом близких столкновений можно вообще пренебречь (см. сказанное выше о «дальнодействии» в П.). При далёких же пролётах скорости частиц изменяются на малые величины, что позволяет рассматривать их движение как процесс диффузии в своеобразном «пространстве скоростей». Хотя, как отмечалось, каждая частица П. одновременно взаимодействует с большим числом др. частиц, процессы в П. можно описывать с помощью представления о «парных» столкновениях. Средний эффект «коллективного» взаимодействия эквивалентен эффекту последовательности парных столкновений.

  Если в П. не возбуждены какие-либо интенсивные колебания и неустойчивости, то именно столкновения частиц определяют её так называемые диссипативные свойства – электропроводность, вязкость, теплопроводность и диффузию. В полностью ионизованной П. электропроводность s не зависит от плотности П. и пропорциональна T^3/2; при Т ~ 15 ×10⁶ К она превосходит электропроводность серебра, поэтому часто, особенно при быстрых крупномасштабных движениях, П. можно приближённо рассматривать как идеальный проводник, полагая s® ¥. Если такая П. движется в магнитном поле, то эдс при обходе любого замкнутого контура, движущегося вместе с П., равна нулю, что по закону Фарадея для индукции электромагнитной приводит к постоянству магнитного потока, пронизывающего контур (рис. 4). Эта «приклеенность», или «вмороженность», магнитного поля также относится к важнейшим свойствам П. (подробнее см. в ст. Магнитная гидродинамика). Ею обусловлена, в частности, возможность самовозбуждения (генерации) магнитного поля за счёт увеличения длины магнитных силовых линий при хаотическом турбулентном движении среды. Например, в космических туманностях часто видна волокнистая структура, свидетельствующая о наличии возбуждённого таким образом магнитного поля.