Плазма

ПЛАЗМА (от греч. plasma, букв.-вылепленное, оформленное), частично или полностью ионизованный газ, образуемый в результате термич. ионизации атомов и молекул при высоких т-рах, под действием электромагн. полей большой напряженности, при облучении газа потоками заряженных частиц высокой энергии. Характерная особенность плазмы, отличающая ее от обычного ионизованного газа, состоит в том, что линейные размеры объема, занимаемого плазмой, много больше т. наз. дебаевского радиуса экранирования D (см. Дебая-Хюккеля теория). Значение D для i-го иона с концентрацией H_i и т-рой T_i определяется выражением:

где n_е и Т_е - концентрация и т-ра электронов соотв., е_i-заряд иона, е-элементарный электрич. заряд (заряд электрона), k- постоянная Больцмана. Из этого выражения следует, что в плазме, как правило, т-ры электронов и ионов различаются.

В низкотемпературной плазме средняя энергия электронов или ионов значительно меньше эффективной энергии ионизации частиц газа; высокотемпературной считается плазма, характеризуемая обратным соотношением указанных энергий (учитывается вклад в ионизацию разл. частиц). Обычно низкотемпературная плазма имеет т-ру частиц меньше 10⁵ К, высокотемпературная-порядка 10 -10⁸ К. Отношение концентрации заряженных частиц к суммарной концентрации всех частиц наз. степенью ионизации плазмы.

Плазма, получаемая в лаб. условиях, является в термодинамич. смысле открытой системой и всегда термодинамически неравновесна. Процессы переноса энергии и массы приводят к нарушению локального термодинамич. равновесия и стационарности (см. Химическая термодинамика), закон Планка для поля излучения, как правило, не выполняется. Плазма наз. термической, если ее состояние описывается в рамках модели локального термич. равновесия, а именно: все частицы распределены по скоростям в соответствии с законом Максвелла; т-ры всех компонент одинаковы; состав плазма определяется законом действующих масс, в частности ионный состав обусловлен равновесием между ионизацией и рекомбинацией (ф-ла Эггерта-Саха по сути является выражением для константы равновесия этих процессов); заселенности энергетич. уровней всех частиц подчиняются распределению Больцмана. Термическая плазма характеризуется обычно высокой степенью ионизации и м. б. реализована в газах с относительно малой эффективной энергией ионизации при достаточно высокой оптич. плотности (т.е. излучение плазмы почти целиком поглощается ее собств. частицами). Обычно плазма описывается моделью частичного локального термич. равновесия, к-рая включает все вышеперечисл. положения, но требует подчинения закону Больцмана заселенностей лишь возбужденных уровней частиц плазмы, исключая их основные состояния. Такую плазму наз. квазиравновесной; пример квазиравновесной плазмы-столб электрич. дуги при атм. давлении.

Несоблюдение хотя бы одного из условий локального термич. равновесия приводит к возникновению не равновесной плазмы. Очевидно, существует бесконечное множество неравновесных состояний плазмы. Примером сильно неравновесной плазмы является плазма тлеющего разряда в газах при давлениях 10¹-10³ Па, в к-рой средняя энергия электронов составляет 3-6 эВ, а т-ра тяжелых частиц не превышает обычно 1000 К. Существование и стационарность такого неравновесного состояния плазмы обусловлены затрудненностью обмена энергией между электронами и тяжелыми частицами. В плазме мол. газов, помимо этого, может иметь место неэффективный обмен энергией между разл. внутр. степенями свободы: электронной, колебательной, вращательной. В пределах каждой из степеней свободы обмен энергией происходит относительно легко, что приводит к установлению квазиравновесных распределений частиц по соответствующим энергетич. состояниям. В этом случае говорят об электронной, колебат., вращат. т-рах частиц плазмы.

Осн. особенности плазмы, отличающие ее от нейтрального газа и позволяющие рассматривать плазму как особое, четвертое состояние материи (четвертое агрегатное состояние в-ва), состоят в следующем.

1) Коллективное взаимод., т.е. одновременное взаимод. друг с другом большого числа частиц (в обычных газах при нормальных условиях взаимод. между частицами, как правило, парное), обусловлено тем, что кулоновские силы притяжения и отталкивания убывают с расстоянием гораздо медленнее, чем силы взаимод. нейтральных частиц, т.е. взаимод. в плазме являются "дальнодействующими".

2) Сильное влияние электрич. и магн. полей на св-ва плазмы, к-рое приводит к появлению в плазме пространств. зарядов и токов и обусловливает целый ряд специфич. св-в плазмы.

Одно из важнейших св-в плазмы-ее квазинейтральность, т.е. почти полная взаимная компенсация зарядов на расстояниях, значительно больших дебаевского радиуса экранирования. Электрич. поле отдельной заряженной частицы в плазме экранируется полями частиц с зарядом противоположного знака, т.е. практически снижается до нуля на расстояниях порядка дебаевского радиуса от частицы. Любое нарушение квазинейтральности в объеме, занимаемом плазмой, приводит к появлению сильных электрич. полей пространств. зарядов, восстанавливающих квазинейтральность плазмы.

В состоянии плазмы находится подавляющая часть в-ва Вселенной - звезды, звездные атмосферы, галактич. туманности и межзвездная среда. Около Земли плазма существует в космосе в виде "солнечного ветра", заполняет магнитосферу Земли (образуя радиац. пояса Земли) и ионосферу. Процессами в околоземной плазме обусловлены магн. бури и полярные сияния. Отражение радиоволн от ионосферной плазмы обеспечивает возможность дальней радиосвязи на Земле.

В лаб. условиях и при пром. применениях плазму получают посредством электрич. разряда в газах, в процессах горения и взрыва. Плазму используют в плазменных ускорителях, магнитогидродинамич. генераторах, в лаб. установках для изучения проблем управляемого термоядерного синтеза.

Для проведения хим. процессов используют низкотемпературную плазму с т-рой тяжелых частиц от -195 ⁰C до неск. десятков тысяч градусов при давлениях 10^-5-10⁵ МПа и средней энергии электронов до 5-7 эВ (см. Плазмохимия, Плазмохимическая технология). Такая плазма является источником заряженных частиц с концентрацией от 10¹⁰ до 10¹⁷ см ^-3, тяжелых частиц, возбужденных по внутр. степеням свободы (содержание в плазме от долей до десятков процентов), высокоэнтальпийного (до 10³ кДж/моль) газового потока (скорости плазменных струй достигают неск. км/с), мощного светового излучения с регулируемыми спектральными характеристиками.

Mн. характерными для плазмы св-вами обладают совокупности электронов и дырок в полупроводниках и электронов проводимости в металлах, к-рые поэтому называют плазмой твердых тел.

Термин "плазма" введен в 1923 И. Ленгмюром и Л. Тонксом.

Лит. см. при статьях Плазмохимия, Плазмохимическая технология.

А. А. Овсянников.