Вещество в состоянии плазмы

Реферат по физике ученика 10 МИФ класса Незамеева Марата. Консультант Солодова Елена Михайловна. Центр образования 654. 2000 год. Содержание Возникновение плазмы. 3 Квазинейтральность плазмы. 10 Движение частиц плазмы. 13 Применение плазмы в науке и технике. 15 Использованная литература 1 Долгий путь вл человека к познанию плазмы, к е использова- нию в различных отраслях техники.Когда же наука и техника включили плазму в сферу своего внимания, рост знаний о ней и е практическое применение пошли семимильными шагами.

Тут и возникли плазмохимия и плазмохимическая технология. Ещ крупнейший древнегреческий учный Аристотель предпо- лагал, что все тела состоят из четырх низших элементов-стихий земли, воды, воздуха и огня. Дальнейшее развитие науки наполнило новым содержанием эти термины. Действительно вещество может быть в четырх состояниях тврдом, жидком, газообразном и плазменном. Плазма представляет собой состояние вещества, наиболее распространнное в космосе и обладающее очень интересными свойствами, которые находят вс более широкое применение в разработках, посвящнных большим проблемам современной техники.

Например, Солнце и звзды являются примерами высокотемпературной плазмы. Газ, в котором значительная часть атомов или молекул ионизи- ована, называется плазмой. Это название было предложено в 1923 году американскими физиками Ленгмюром и Тонксом. Плазма нормальная форма существования вещества при температуре порядка 10 000 градусов и выше. Вместе с тем это наиболее распространнное состояние вещества в природных условиях.

Солнце и звзды представляют собой не что иное, как сгустки высокотемпературной плазмы. Верхний слой атмосферной оболочки Земли также образован из плазмы это так называемая ионосфера. Возникновение плазмы. Пусть в замкнутом сосуде, сделанном из очень тугоплавкого материала, находиться небольшое количество какого-либо вещества. Начнм подогревать сосуд, постепенно повышая его температуру.

Если первоначально вещество, содержащееся в сосуде, было в тврдом состоянии, то в некоторый момент оно начнт плавиться, а при ещ более высокой температуре испариться и образовавшийся газ равномерно заполнит весь объм. Когда температура достигнет достаточно высокого уровня, все молекулы газа если это молекулярный газ диссоциируют, т.е. распадутся на отдельные атомы. В результате в сосуде будет содержаться газообразная смесь элементов, из которых состоит вещество.

Атомы этих элементов будут быстро и беспорядочно двигаться, испытывая время от времени столкновения между собой. Средняя скорость хаотического теплового движения атомов растт пропорционально квадратному корню из абсолютной температуры газа. Она тем больше, чем легче газ, т.е. чем меньше атомный вес вещества. Величину средней скорости v можно найти с помощью следующей формулы Здесь T - абсолютная температура плазмы, A - атомный вес вещества. Скорость выражается в сантиметрах в секунду.

Естественно, возникает вопрос как будут изменяться свойства вещества, если нагревание продолжиться дальше и температура выйдет за пределы нескольких тысяч градусов Конечно, при очень высокой температуре изображаемую нами картину нагревания вещества в тугоплавком сосуде можно представить только теоретически, т.к. предел термической стойкости даже самых тугоплавких материалов сравнительно невелик 3 000 4 000 градусов. Допустим, что стенки сосуда способны противостоять сколь угодно высокой температуре, не разрушаясь и не испытывая никаких изменений.

Итак, нагревание продолжается. В таком случае уже при 3 000 5 000 градусов мы сможем заметить признаки проявления новых процессов, которые будут связаны с изменением свойств самих атомов вещества. Как известно, каждый атом состоит из положительно заряжен- ного ядра, в котором сосредоточена почти вся масса атома, и электронов, вращающихся вокруг ядра и образующих электронную оболочку атома. Эта оболочка и в особенности е внешний слой, содержащий электроны, сравнительно слабо связанные с ядром, обладают довольно хрупкой структурой.

При столкновении атома с какой-либо быстро движущейся частицей один из внешних электронов может быть оторван от атома, который превратиться в положительно заряженный ион. Именно этот процесс ионизации и будет наиболее характерен для рассматриваемой стадии нагревания вещества. При достаточно высокой температуре газ перестат быть нейтральным в нм появляются положительные ионы и свободные электроны, оторванные от атомов.

В условиях, когда нагретое вещество находиться в тепловом равновесии с окружающей средой в нашем случае со стенками воображаемого идеального сосуда при температуре в несколько десятков тысяч градусов, подавляющая часть атомов в любом газе ионизирована и нейтральные атомы практически отсутствуют. Например при T 30 000 градусов на 20 000 положительных ионов приходиться всего лишь один нейтральный атом. Электронная оболочка атома водорода содержит только один электрон, и поэтому с потерей атома ионизация заканчивается.

В атомах других элементов электронная оболочка имеет более сложную структуру. В е состав входят электроны, обладающие разной степенью связи с атомом в целом. Электроны, принадлежащие к внешним слоям оболочки, отрываются сравнительно легко. Как уже говорилось выше, при температуре порядка 20 000 30 000 градусов почти не должно оставаться примесей нейтральных атомов. Это означает, что можно говорить о полной ионизации газа. Однако это не означает, что процесс ионизации закончился, т.к. положительные ионы в упомянутой области температур сохраняют значительную часть своего электронного одеяния. Чем больше порядковый номер элемента в периодической системе Менделеева, тем больше число электронов в атоме и тем прочнее связаны электроны внутренних слов оболочки с атомным ядром.

Поэтому окончательная ионизация тяжлых элементов только при очень высоких температурах десятки миллионов градусов. При этом газ остатся в целом нейтральным, т.к. процессы ионизации не создают избытка в зарядах того или иного знака.

В ионизации газа при высокой температуре принимают учас тие различные процессы взаимодействия между отдельными атомами, с одной стороны, и электронами, ионами и световым излучением с другой. Различают высокотемпературную плазму, возникающую при сверхвысоких температурах, и газоразрядную плазму, возникающую при газовом разряде. Любая плазма характеризуется степенью ионизации - отношением числа ионизированных частиц к полному их числу в единице объма плазмы.

В зависимости от величины говорят о слабо составляет доли процента, умеренно - несколько процентов и полностью близко к 100 ионизированной плазме. Однако, описанный нами способ получения плазмы на практи- ке не является самым лучшим из-за сложности его осуществления. Как в лабораторных опытах, так и в технике нормальным состоянием плазмы считают различные виды электрических разрядов в газах. При электрическом разряде через газ проходит ток. Носителями этого тока являются электроны и ионы, которые образуются в результате ионизации газа. Сам процесс ионизации неразрывно связан с прохождением тока. Только благодаря наличию тока в газе постоянно возникают новые ионы и электроны, и степень ионизации поддерживается на определнном уровне.

Будь то молния, электрическая дуга, разряд в люминесцентной лампе дневного света во всех случаях мы имеем дело с явлениями, разыгрывающимися в сильно ионизированной плазме.

Между тем между плазмой, образовавшейся при нагревании вещества вместе с сосудом, в котором оно находиться, и плазмой газового разряда имеется одно существенное отличие. Плазма газового разряда не является в термическом отношении равновесной. Она нагревается изнутри за счт энергии, выделяющейся за счт прохождения тока, и охлаждается с поверхности вследствие контакта с холодными стенками газоразрядного прибора или же с окружающими слоями обычного газа. Плазма, образующаяся при интенсивных газовых разрядах, может иметь во много раз большую температуру, чем металл, стекло или нейтральный газ, которые е окружают.

Кроме того, такая плазма термически неравновесна ещ в одном отношении. Она состоит из смеси нескольких компонент, неодинаково нагретых. Одной из этих компонент являются электроны, другой положительные ионы и третьей нейтральные атомы. Они так же равномерно перемешаны между собой, как кислород и азот в атмосфере. Однако в противоположность обычной газовой смеси, все час- тицы которой независимо от их принадлежности к той или иной составляющей имеют одинаковую среднюю кинетическую энергию беспорядочного теплового движения, у электронов, ионов и нейтральных атомов плазмы газового разряда средняя кинетическая энергия различна.

Электроны, как правило, обладают гораздо более высокими энергиями, чем ионы, а кинетическая энергия ионов может превышать энергию нейтральных атомов и молекул. Поэтому можно сказать, что плазма представляет собой смесь компонент с различными температурами.

Как известно средняя величина кинетической энергии WT беспорядочного теплового движения W связана с температурой T следующим соотношением где k так называемая постоянная Больцмана, равная 1, эргград. Из-за различия в величине средней кинетической энергии электронов, ионов и нейтральных частиц в плазме вместо одной общей температуры следует различать три разные температуры электронную Te, ионную Ti и атомную T0. Обычно Te Ti T0 где означает во много раз больше. Очень большое различие между Te и Ti, характерное для большинства форм газового разряда, обусловлено громадной разницей в величине массы электронов и ионов.

Внешние источники электрической энергии, с помощью которых создатся и поддерживается газовый разряд, передают энергию непосредственно электронам плазмы, т.к. именно лгкие электроны являются носителями электрического тока. Ионы приобретают свою энергию благодаря столкновениям с быстро движущимися электронами. Однако при каждом отдельном столкновении из-за большого различия в массе лгкий электрон передат иону лишь небольшую часть своей кинетической энергии.

Простой анализ, основанный на применении закона сохранения энергии и закона сохранения суммарного количества движения, показывает, что если тело малой массы m сталкивается упруго с телом во много раз большей массы M, то относительная доля кинетической энергии, которую легкое тело в состоянии передать тяжлому, не может превысить. Отношение массы электрона к массе иона равно 1 1840 A, где A атомный вес вещества, которому принадлежат ионы. Следовательно наибольшая величина, передаваемой энергии соствляет всего. Поэтому электрон должен испытать очень много столкновений с ионами, для того, чтобы полностью отдать имеющийся у него излишек энергии.

Поскольку параллельно процессам, при которых происходит обмен энергией между электронами и ионами, идт процесс приобретения энергии электронами от источников электрического тока, питающего разряд, в плазме при газовом разряде вс время поддерживаеться большой перепад температу между электронами и ионами.

Так, например, в упоминавшихся выше газоразрядных приборах величина Te обычно лежит в пределах нескольких десятков тысяч градусов, в то время как величины Ti и T0 не превышают одной-двух тысяч градусов. При дуговом разряде, который используется в электросварке, электронная и ионная температуры ближе друг к другу вследствие того, что в этом случае разряд происходит в газе с большой плотностью и частые столкновения между электронами и ионами быстро выравнивают разность температур.

При некоторых специальных условиях в сильно ионизированной плазме ионная температура может значительно превысить электронную. Такие условия возникают, например, при кратковременных разрядах большой мощности в экспериментальных установках. Например, можно взять угольные электроды, создать высокое давление, и подвести ток большой силы. В этом случае в узком межэлектродном пространстве возникнет сильно ионизированная плазма при температуре 50 000 K. 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

Допустим для простоты, что в ионизированном газе присут ствуют кроме и... Квазинейтральность означает, что ne очень мало отличается от ni. Под действием электрического поля даже очень слабого в плазме появляет... Путь каждого иона или электрона можно сначала очень грубо представить ... Стрелки изображают скорости движения частиц в некоторый момент времени.

Применение плазмы в науке и технике

Можно зажечь плазму в кислороде и использовать высокую реакционную спо... Возможно, что плазма и есть тот первоэлемент, который так упорно искал... Применение плазмы в науке и технике. Плазма ещ мало изученный объект не только в физике, но и в химии плазм... Водородная плазма проявляет восстанавливающее действие, поэтому е можн...

Использованная литература

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 четвртое состояние вещества, М, Атомиздат, 1975. 6. Энциклопедический словарь юного физика, 3 изд М, Педагогика-Пресс, 1995.