книги из ГПНТБ / Левитский С.М. Плазма служит человеку

\ .

'.Vi

•ii

С. М. Л ЕВЫ т е к и й

плазма

служ ит

ЧЕЛОВЕКУ

<0

а

>ч I- <0

о.

о

I-

X

ц

к

т

х

о.

о; с;

с

0

с

1

0 X X >4 <0

Плазме повезло. Из небольшого раздела электроники физика плазмы за каких-нибудь десять лет превратилась в одну из наиболее актуальных отраслей современной науки. Вопросам изучения плазмы посвящен сейчас ряд специальных научных журналов, по физике плазмы со­ зываются ежегодно международные съезды и конферен­ ции, на которые собираются тысячи ученых многих стран. Для изучения плазмы строятся лаборатории и ин­ ституты. О плазме все чаще пишут в научно-популярной литературе, в еженедельных журналах и газетах. С плаз­ мой связаны новейшие технологические процессы, пробле­ ма непосредственного преобразования тепловой энергии в электрическую и, наконец, «проблема номер один» со­ временной физики — создание управляемой термоядер­ ной реакции.

Вместе с тем оказывается, что наука об электриче­ стве еще со времени своего зарождения имела дело с плазмой. Первым электрическим явлением, на которое обратили внимание ученые прошлых веков, была элек­ трическая искра. Необычное, внезапно возникающее и так же бесследно исчезающее ярко светящееся вещество, из которого состояла искра, ученые того времени туман­

но называли «электрической субстанцией» или «грозовой материей». Теперь это вещество (или, точнее, состояние вещества) названо плазмой. Этот термин (кстати ска­ зать, заимствованный из биологии) появился в физике около сорока лет назад.

Но дело, конечно, не в названии. Явления в электри­ ческом разряде (и в частности, в искре) оказались на­ столько сложными, что к успешному изучению их удалось приступить лишь после того, как в общих чертах стало известно строение атома. Только тогда могло сформиро­ ваться представление о плазме как об особом состоянии газа, в котором под воздействием каких-либо внешних сил часть атомов находится в разрушенном (ионизирован­ ном) состоянии. После этого понятие плазмы начало свое триумфальное шествие в физике. Вещество в плазмен­ ном состоянии обнаруживали повсюду: в электрических разрядах и пламени, в земной атмосфере и на Солнце, на далеких звездах и в казавшихся ранее пустыми про­ странствах космоса. Теоретические и экспериментальные исследования обогатили физику сведениями о свойствах плазмы. Стало очевидным, что плазма — это особое и весьма распространенное в природе состояние вещества. Без изучения плазмы оказалось невозможным понять ни процессы, происходящие в глубинах Вселенной, ни прин­ ципы работы ряда уже нашедших практическое примене­ ние электронных приборов.

Крупный вклад в изучение плазмы был сделан совет­ скими учеными.

Следует отметить, что еще в конце прошлого века вы­ дающийся русский физик А. Г. Столетов своими класси­ ческими исследованиями газового разряда заложил тот фундамент, на котором впоследствии была построена фи­ зика плазмы.

4

Впредвоенные годы советским физиком Б. М. Клярфельдом была создана теория плазмы, а В. Л. Гранов­ ским изучены особые переходные режимы существова­ ния плазмы.

В1950 г. академики А. Д. Сахаров и И. Е. Тамм впер­

вые высказали и обосновали идею о том, что в лабора­ торных условиях плазму можно нагреть до таких темпе­ ратур, при которых начнется термоядерная реакция. Ра­ боты в этом направлении пошли столь успешно, что уже через пять лет академик И. В. Курчатов во время своей поездки в Англию смог рассказать изумленным англий­ ским коллегам об опытах, которые давали надежду на решение этой грандиозной проблемы.

В исследованиях, развернувшихся затем во всем ми­ ре, советские ученые занимают ведущее место. Их успе­ хами и объясняется большой интерес, проявляемый в на­ шей стране к литературе о плазме — как специальной, так и научно-популярной.

Вэтой брошюре мы попытаемся вкратце рассказать

отом, что такое плазма, какие процессы происходят в

ней, какими свойствами она обладает, где встречает­ ся в природе, какое применение имеет в современной тех­ нике и каковы перспективы применения ее в технике ближайшего будущего.

Что такое плазма?

До последнего времени физикам были известны три агрегатных состояния вещества: твердое, жидкое и газо­ образное.

В типичных твердых телах — кристаллах атомы упо­ рядоченно располагаются один относительно другого в:

отдельными атомами и молекулами: сперва разрушают ся дальние Связи в кристалле твердого тела, затем ближние связи в жидкости.

При обычных температурах сила соударения невели­ ка и молекулы газа, подобно упругим шарикам, после соударения разлетаются в разные стороны, не испытав никаких изменений. Но если температура достаточно вы­ сока, кинетическая энергия теплового движения моле­ кулы может оказаться больше энергии связей отдельных атомов внутри этой молекулы. Поэтому при соударении молекула может «расколоться» на отдельные атомы. Этот процесс, происходящий при достаточно высоких темпе­ ратурах, называется диссоциацией. Для молекул таких газов, как Н2, 0 2, СО, он обычно начинается при темпе­ ратурах 1000—3000°К. При температурах, превышающих 5000°К, газ может стойко существовать только в виде свободных атомов.

После того как будут разрушены молекулярные свя­ зи, наступает очередь внутриатомных связей, то есть свя­ зей электронов атома с его положительным ядром. В пер­ вую очередь это происходит с электронами самой верх­ ней оболочки — так называемыми валентными электро­ нами. Вначале соударения атомов газа приводят лишь к «деформациям» этих оболочек. Часть кинетической энергии соударяющихся атомов передается их валент­ ным электронам, в результате чего эти электроны «за­ брасываются» на более далекие орбиты. В таком воз­ бужденном состоянии атом может находиться сравни­ тельно недолго — всего лишь несколько миллиардных долей секунды. Вскоре возбужденные электроны вновь возвращаются на исходные орбиты, а энергия, которой они обладали, высвобождается в виде кванта электромаг­ нитной энергии. В зависимости от величины энергии

7

это может быть квант инфракрасного, видимого или ультрафиолетового света.

Таким образом, раскаленный газ приобретает способ­ ность светиться. Он испускает свет вполне определенных длин волн, которые зависят от структуры электронных оболочек атомов. Это явление хорошо известно и лежит в основе спектроскопического анализа.

По мере повышения температуры газа электроны удается забрасывать на все более удаленные от ядра ор­ биты. Наконец, при достаточно большой энергии соуда­ ряющихся атомов энергия удара становится настолько значительной, что электрон вообще отрывается от атома. Такой разрыв внутриатомной связи называется иониза­ цией. В результате ионизации вместо электронейтрального атома возникают положительно заряженный атомный остаток — ион и свободный отрицательно заряженный электрон.

Какой же должна быть температура газа, чтобы ионизация имела место? В качестве примера возьмем щелочной элемент цезий, у которого валентный электрон слабо связан с атомом. Для того чтобы оторвать этот электрон, нужна энергия в 6,2 • 10'12 эрг (выраженная в электрон-вольтах — 3,87 эв). Температура, при которой атомы газообразного цезия будут иметь среднюю энер­ гию такой же величины, весьма высока. Она составляет 40 000° К. Однако и при более низких температурах не­ которые атомы цезия будут иметь энергию, достаточную для ионизации. Так, при температуре 3300°К степень ионизации составляет 10б (под степенью ионизации понимается отношение количества ионизированных ато­ мов к общему количеству атомов). Хотя эта величина весьма мала, но и она может быть без труда замечена и измерена специальными приборами.

8