Формирование понятия «плазма» в школьном курсе физики

     или .

В общем случае можно считать, что плазма представляет собой смесь трех

компонентов: свободные  электроны, положительные и отрицательные  ионы и

нейтральные атомы (или молекулы). Например, для водородной плазмы, состоящей

из протонов, электронов и нейтронов, объемные плотности  зарядов будут

вычисляться следующим  образом:

     и , где

     - заряд протона,

- заряд электрона, N – количество протонов (электронов) в объёме V, n –

концентрация положительных (отрицательных) зарядов. Представление  о плазме, как

о четвертом агрегатном состоянии вещества, можно сказать, как бы предвосхитили

мыслители глубокой древности, которые считали, что  мир состоит из четырех

простых стихий: земли, воды, воздуха и огня (современная  наука говорит о

четырех состояниях вещества: твердом, жидком, газообразном и плазменном).

Каждое состояние  существует в определенном интервале  температур. Например, при

отрицательных (по Цельсию) температурах вода находится в твердом состоянии

(лед), в интервале  температур от 0 °С до 100 °С вода является жидкостью, выше

100 °С мы имеем водяной пар (газ), а при значительно более высоких температурах

(10 000 °С и выше) атомы и молекулы нейтрального газа теряют часть своих

электронов и  становятся положительными ионами.

     ? Что такое плазма? Приведите примеры плазмы в природе.

     ? Расскажи о происхождении термина плазма. Что означает

биологический термин     плазма?

     ? Для чего нужно заниматься физикой плазмы?

                      § 2. СТЕПЕНЬ ИОНИЗАЦИИ ПЛАЗМЫ                     

Итак, при 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 ударной  ионизацией заряженными частицами (например, при электрическом

разряде в газе), взаимодействием с электромагнитным излучением

(фотоионизация).

Как было уже сказано  свыше, 90 % вещества во Вселенной находится  в состоянии

плазмы, т.е. в виде ионизованного газа, в котором  атомы и молекулы

диссоциированы на положительные и отрицательные ионы и отрицательные

электроны. Эта  оценка, возможно, и не является точной, но она, конечно,

вполне обоснована, если учесть тот факт, что звезды и их атмосфера, газовые

туманности и  значительная часть межзвездного газа представляют собой плазму.

Что касается непосредственно  нашей Земли, то мы сталкиваемся с  плазмой, как

только выходим  за пределы земной атмосферы, - это  радиационные пояса и

солнечный ветер. Однако в повседневной жизни наши встречи с плазмой

ограничиваются  всего лишь несколькими примерами: вспышки молнии, мягкое

свечение северного  сияния, проводящий газ внутри флуоресцентной трубки пли

неоновой рекламы  и слабоионизованная плазма ракетных факелов. Причину этого

можно понять с  помощью уравнения Саха, которое  позволяет вычислить степень

ионизации газа, находящегося в тепловом равновесии.

     Степенью ионизации плазмы называют отношение числа ионизованных атомов к

полному их числу в единице  объема плазмы:

.

В условиях теплового  равновесия она определяется формулой Саха:

     .            (2.1)

Здесь , и

- концентрация (число  частиц в 1 м³) ионизованных и нейтральных

атомов соответственно, Г-температура газа в К, k - постоянная

Больцмана, -

энергия ионизации  газа, т.е. энергия, необходимая для  удаления электрона с

внешней электронной  оболочки атома. Обычно

выражается в  процентах, тогда результат, полученный из формулы Саха, необходимо

умножить на 100 %. В воздухе при нормальных условиях для азота 

и эВ

(см. задачу 2.1). Относительная ионизация ничтожно мала:

С ростом температуры  степень ионизации остается низкой до тех пор, пока средняя

кинетическая энергия  молекул газа не  станет всего  лишь в несколько раз меньше

энергии ионизации .

После этого, резко

возрастает и  газ переходит в плазменное состояние. При дальнейшем возрастании

температуры концентрация нейтральных частиц становится меньше концентрации

ионизованных атомов, и плазма, в конечном счете, оказывается  полностью

ионизованной. Именно поэтому полностью ионизованная плазма составляет

астрономические тела температурой несколько миллионов  градусов и отсутствует на

Земле.

Термоионизация газа происходит в тех случаях, когда средняя кинетическая энергия

молекул газа превышает  энергию ионизации:

, где

     .                                         (2.2)

Нетрудно убедиться, что ионизация газа при тепловых соударениях молекул возможна

лишь при очень  высоких температурах

. Вычисления показывают:

(положим  эВ), что .

В зависимости  от степени ионизации плазма подразделяется на слабо ионизованную (

составляет доли процента), частично ионизованную (

около нескольких процентов) и полностью ионизированную (

близка к 100 %). Слабо  ионизованной плазмой в природных  условиях является

ионосфера Земли, тлеющий разряд. Во Вселенной слабоионизованная  плазма - это

солнечный ветер, атмосферы холодных звезд, холодные облака межзвездного газа.

Горячие звезды, туманности, солнечная корона и некоторые  межзвездные облака -

это полностью  ионизованная плазма, которая образуется при высокой температуре.

     ? Что называется степенью ионизации?

     ? При каком условии происходит термоионизация газа? Назовите порядок

температуры, при  которой происходит термоионизация.

     ? Какое деление плазмы существует по степени ионизации? Приведите примеры.

                Задачи для самостоятельного решения               

     2.1. Вычислите концентрацию идеального газа при следующих условиях: а

) при температуре  0 °С и давлении 101 325 Па (эта величина называется числом

Лошмидта);  б) при комнатной температуре (20 °С) и давлении 10~3 мм

рт. ст.

     2.2. Концентрация электронов проводимости в германии при комнатной

температуре 3 • 10¹⁹ м³. Какую часть составляет число

электронов проводимости от общего числа атомов? Плотность  германия 5400 кг / м

³, молярная масса 0,079 кг / моль.

     2.3. Используя данные для воздушной среды, с помощью формулы Саха

получите степень  ионизации воздуха и сравните результат с предлагаемым

значением.

     2.4. Вычислите степень ионизации солнечного ветра, ионосферы Земли (слоя

D), солнечной короны, используя необходимые величины  из «Приложения».

                    § 3. КОЛЛЕКТИВНЫЕ СВОЙСТВА ПЛАЗМЫ                   

Поскольку плазма представляет собой газ, состоящий  из заряженных и нейтральных

частиц, то она  проявляет коллективные свойства. Понятие

коллективные  свойства поясним на следующем примере. Рассмотрим силы,

действующие на молекулу, скажем, в обычном воздухе. Сразу заметим, что сила

гравитационного притяжения пренебрежимо мала по сравнению  с силой

электромагнитного взаимодействия (см. задачу 3.1). Расчет показывает, что силы

взаимодействия (притяжения и отталкивания) действуют между  нейтральными

молекулами на очень малых расстояниях (F_пр~1/r⁷, a F

_от~1/ r¹³), где r - расстояние между молекулами, т.е. являются

короткодействующими. В случае же плазмы, которая содержит заряженные частицы,

ситуация совсем иная. Во время движения заряженных частиц изменяются локальные

концентрации положительного и отрицательного зарядов, что приводит к

возникновению электрических  полей. С движением зарядов связаны  также токи и,

следовательно, магнитные  поля. Эти поля на больших расстояниях  могут влиять па

движение других заряженных частиц. Например, в плазме из-за более медленного

убывания с расстоянием  кулоновских сил (~1 / r²) взаимодействие

между частицами  постоянно влияет на их движение. Таким  образом, понятие 

коллективные  свойства означает, что в плазме движение частиц определяется не

только локальными условиями, но и ее состоянием в удаленных  областях.

Однако справедливо  это не всегда. Если плазма настолько  разрежена, что

кулоновское взаимодействие между частицами оказывается  значительно меньшим,

чем влияние на них внешних электрических и  магнитных полей (в космических

условиях последние обычно существенны), то плазму можно рассматривать как

совокупность отдельных  частиц, движение которых определяется внешними полями.

В такой плазме обычно не проявляются специфически плазменные коллективные

процессы. С другой стороны, если плазма настолько плотная, что частота парных

столкновений достаточно велика, или если процессы протекают с характерным

временем, значительно  превышающим время свободного пробега  электрона или

иона, то и здесь  нет специфически плазменных процессов. В таких случаях

плазму можно  считать сплошной средой и применять  для ее описания

магнитогидродинамические  уравнения или соотношения.

     ?  Расскажите о понятии коллективные свойства на примере

взаимодействия  молекул  в воздухе и заряженных частиц в плазме.

     ?  При каких условиях плазму можно считать сплошной средой?

                Задача для самостоятельного решения               

     3.1. Сравните силы гравитационного и электростатического взаимодействия

между  электроном и протоном. Масса электрона 

кг, масса протона

кг, заряд электрона отрицателен и равен по модулю

Кл, заряд протона  положителен и равен по модулю заряду электрона.

                      § 4. КВАЗИНЕЙТРАЛЬНОСТЬ ПЛАЗМЫ