Формирование понятия «плазма» в школьном курсе физики

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 заряженного  ядра, в котором

сосредоточена почти  вся масса атома, и электронов, вращающихся вокруг ядра и

образующих электронную  оболочку атома. Эта оболочка и в  особенности её

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 перестаёт быть

нейтральным: в  нём 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 её 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 слоёв

оболочки с атомным  ядром. Поэтому окончательная ионизация  тяжёлых элементов

только при очень  высоких температурах (десятки миллионов  градусов). При этом

газ остаётся в  целом нейтральным, т.к. процессы ионизации  не создают избытка

в зарядах того или иного знака. Таким образом, при достаточно больших

температурах происходит ионизация газа за счёт столкновения быстродвижущихся

атомов или молекул.

Далее можно ввести словесное определение понятия  «плазма»:

     Плазма – это частично или полностью ионизированный газ, в котором плотности

положительных и отрицательных  зарядов практически  совпадают, т. е. в  целом

плазма  является электрически нейтральной системой.

Почти все вещества при постепенном повышении их температуры от абсолютного нуля

проходят  последовательно  следующие  состояния: твёрдое, жидкое, газообразное,

плазма. И нередко  у учащихся складывается ошибочное  представление о плазме, как

о состоянии вещества при очень высоких температурах, т.е. температурах, при

которых происходит термическая диссоциация атомов или молекул газа. Именно этот

недостаток следует  преодолеть, знакомя учащихся с понятием плазмы. Так, наряду

с нагреванием  ионизация газа и образование  плазмы могут быть вызваны разного

рода излучениями  или бомбардировкой атомов газа быстрыми заряженными частицами.

При этом возникает  так называемая низкотемпературная плазма.

Теперь, когда введено  общее понятие плазмы можно провести небольшой устный

опрос – дискуссию, о том, кто как понял, что такое  плазма, как можно получить

высоко и низкотемпературную плазму и где она встречается  в природе (например,

молния). При помощи такого приёма учащиеся лучше воспримут  данный им ранее

материал, и немного  отдохнут для последующего объяснения.

                           2.3 Свойства плазмы.                          

После того, как  учащиеся услышали словесное определение  понятия «плазма» и

как – то, посредством  опроса - дискуссии, восприняли это  понятие, самое время

начать его дополнение и обобщение. Это можно сделать, показывая свойства

плазмы.

Плазма обладает рядом специфических свойств, сто  позволяет рассматривать её

как особое четвёртое  состояние вещества.

Из – за большой  подвижности заряженные частицы  плазмы легко перемещаются, под

действием электрических  и магнитных полей. Поэтому любое  нарушение

электрической нейтральности  отдельных областей плазмы, вызванное скоплением

частиц одного знака заряда, быстро ликвидируется. Возникающие электрические

поля перемещают заряженные частицы до тех пор, пока электрическая

нейтральность не восстанавливается и электрическое  поле не пропадает.

В отличие от нейтрального газа, между молекулами которого существуют

короткодействующие  силы, между заряженными частицами  плазмы действуют

кулоновские силы, сравнительно медленно убывающие с  расстоянием. Каждая

частица взаимодействует  сразу со многими окружающими  её частицами. Благодаря

этому наряду с  хаотическим тепловым движением  частицы плазмы могут

участвовать в  разнообразных упорядоченных (коллективных) движениях. В плазме

легко возбуждаются колебания и волны.

Плазма обладает высокой проводимостью, которая  увеличивается с ростом

ионизации. При  очень высокой температуре полностью  ионизированная плазма по

своей проводимости приближается к сверхпроводникам.

                          2.4 Применение плазмы.                         

Теперь, когда ученики  знают, что такое плазма, её свойства и наличие в

природе и космическом  пространстве, можно говорить о применении плазмы в

жизни. Это, в реферативной форме и под руководством преподавателя, может

сделать кто - либо из учащихся. А для начала можно  дать детям возможность

подумать и привести свои примеры применения плазмы.

Плазма находит  широкое применение в самых разных областях науки и техники:

высокотемпературная плазма из дейтерия и трития, а также  изотопа гелия -

основной объект исследований по управляемому термоядерному  синтезу.

Низкотемпературная  плазма применяется в газоразрядных  источниках света,

газовых лазерах и плазменных дисплеях, в термоэмиссионных преобразователях

тепловой энергии  в электрическую и в магнитогидродинамических генераторах.

    

Если «обратить» МГД - генератор, то образуется плазменный двигатель, весьма

перспективный для длительных космических полетов. Плазмотроны, создающие

струи плотной  низкотемпературной плазмы, применяются  в различных областях

техники. В частности, с их помощью режут и сваривают  металлы, наносят

покрытия. В плазмохимии  низкотемпературную плазму используют для получения

некоторых химических соединений, которые не удается получить другим путем.

Кроме того, высокая  температура плазмы обеспечивает высокую  скорость

протекания химических реакций. Плазма твердого тела - это  особая глава в

развитии и широчайшем применении физики плазмы. В настоящее время нет такого

раздела физики, в  котором физика плазмы не играла бы заметной роли.

В конце изложения, для закрепления темы можно прослушать заранее

подготовленные  учащимися доклады и рефераты по теме.

Изложение темы можно  завершить демонстрацией фильма «Плазма – четвёртое

состояние вещества».

      3.     Перспективы в области изучение плазмы в школьном курсе.     

                   Возможные пути  для изучения плазмы.                  

Как я уже упоминал ранее, объём преподаваемого материала  по теме «Плазма»

крайне мал, даже по сравнению с тем же материалом за границей. Например, в

Оксфордской школе  есть небольшая исследовательская  лаборатория по

исследованию плазмы и её свойств, где учащиеся самостоятельно ставят опыты,

занимаются моделированием по данной теме. В процессе изложения  широко

используются компьютерные технологии, хотя бы для того же контроля за

процессами в  ходе выполнения лабораторных исследований. К тому же некоторые

школы США и  Англии связаны с исследовательскими институтами и получают

информацию от них.

Я считаю, что тема «Физика плазмы» изложенная более  глубоко, в рамках

спецкурса по физике, очень заинтересует учащихся, и станет полезной для

освоения дальнейших тем курса, таких как  «Физика  атомного ядра» и

последующего обучения в технических ВУЗах.

Предлагаемый ниже материал может быть использован  как на уроках физики, так и

при проведении специального факультативного курса. Эти материалы  можно

предложить учащимся после изучения тем «Движение  частицы в электрическом и

магнитном полях» и «Электрический ток в различных средах».

            Материал для спецкурса по физике по теме «ПЛАЗМА»           

         § 1. ПОНЯТИЕ О  ПЛАЗМЕ КАК О  ЧЕТВЕРТОМ СОСТОЯНИИ  ВЕЩЕСТВА        

Плазмой называется квазинейтральный ионизованный газ, т.е. частично или

полностью ионизованный газ, в котором объемные плотности  положительных  

и отрицательных 

зарядов практически  одинаковы по абсолютной величине: