Древний мир

Непознанное

Космос

Рождение плазмы

Четвертое состояние вещества — плазма.
Часть 2 — Рождение плазмы

Как же происходит переход из газообразного состояния в плазму? И так ли уж он «невидим», как мы говорили в предыдущей статье? Действительно, самая начальная стадия образования плазмы, когда от атомов газа только начинают отрываться немногие из наиболее внешних электронов, обнаруживается с трудом даже  чувствительными физическими приборами.

Но вот мы взяли сосуд с газом и начали нагревать его. Что при этом происходит? Движения атомов в газе становятся все более энергичными, они чаще и сильнее сталкиваются друг с другом. При этих столкновениях электроны в атомах ведут себя, образно говоря, как .пассажиры, висящие на подножке вагона: если пассажир слабо держится за поручень, то при толчках он может вылететь на дорогу. Этот «вылет» и происходит с самыми внешними, наиболее слабо связанными с ядрами, электронами атомов.

С ростом температуры газа столкновения атомов отрывают все больше электронов с атомных оболочек. Число свободных электронов быстро растет. Электроны, глубоко запрятанные в недрах атомов, тоже приходят в «возбуждение», словно предвкушая близкое освобождение. Но их энергия еще слишком мала, чтобы они могли покинуть атом. Они способны лишь, приобретя некоторую энергию при столкновении, перепрыгнуть в слой поближе к «выходу» из атома. Может, конечно, случиться, что, находясь в этом слое, электрон успеет получить еще одну порцию энергии, достаточную, чтобы он мог совсем покинуть атом. Но столкновения ионов пока еще не настолько часты, а бдительное ядро не дремлет: оно втягивает пленника обратно в тот слой, который электрон занимал раньше.

А куда делась та энергия, которую приобрел электрон перед прыжком к выходу из атома? Унести ее с собой электрон при возвращении в глубь атома не может и вынужден ее отдать. Эта энергия излучается атомом в виде фотона — частицы света.. В результате, при определенном повышении температуры газа он начинает светиться. Отсюда физики и начинают условно считать газ плазмой.

Чему же равна эта температура? Конечно, она зависит от состава газа: чистый ли это газ или смесь газов, как например воздух, — а также и от строения атомов газа. Поэтому   можно указать лишь порядок величины температуры — несколько тысяч градусов. При такой температуре внешние электроны в изобилии отрываются от атомов, в газе происходят интенсивные столкновения ионов с электронами и друг с другом, внутренние электроны атомов приходят в сильнейшее возбуждение, стремятся вырваться на свободу и излучают свет, возвращаясь в глубокие слои электронной оболочки.

Продолжаем поднимать температуру газа. Все больше и больше внешних атомных электронов покидают атомы, все чаще самые внутренние электроны «прыгают» к «выходу» из атомов. Красноватое вначале свечение газа приобретает голубые цвета, становится ослепительно ярким.

Но постепенно яркость свечения атомов плазмы снижается — слишком мало электронов остается на оболочках ионов. И наконец свечение прекращается вовсе: все электроны покинули свои атомы, остались лишь несветящиеся, совершенно оголенные ядра, бешено носящиеся в сосуде и сталкивающиеся друг с другом. Мы получили, если можно так выразиться, «идеальную» плазму с температурой порядка десятков миллионов градусов.

Гигантская температура! Как можно достичь ее? Для ответа на этот вопрос нужно сначала осмотреться вокруг. Очень часто ученые, создавая что-либо новое, смотрят: а как это сделала природа? Сначала копируют природу, стараясь на лабораторном столе добиться в небольших масштабах точного воспроизведения явления природы. Потом уже отходят от природы, так изменяя условия протекания явления, как это нужно человеку. Все явления, о которых мы рассказываем взяты учеными из природы. Некоторые из них не встречаются на Земле, они возможны только в звездных масштабах.

Пока обратимся к жизни не очень горячей плазмы и опишем некоторые ее интересные свойства.

Еще два столетия назад американский ученый Франклин остроумными, очень опасными для жизни опытами доказал, что молния — это лишь электрическая искра довольно большой протяженности. Искры меньшей длины можно наблюдать при выключении рубильника и даже просто в темной комнате, расчесывая сухие чистые волосы или шерсть гребнем.

Мореплаватели издавна подметили, что перед грозой на концах корабельных мачт возникает свечение; оно было названо огнями святого Эльма. Подобное свечение можно наблюдать ночью вокруг проводов на линиях высокого напряжения. Наконец, красивое свечение рекламных газосветных трубок и ослепительное пламя электросварки — так называемая вольтова дуга — имеют в сущности ту же природу, что и описанные выше явления. Все они объединяются под общим названием электрического разряда в газах.

Но обратим внимание на пламя свечи, керосинового фонаря, наконец, пламя газовой горелки. Каково происхождение этого свечения? Мы можем установить общее между ним и свечением при электрическом разряде, сравнивая, например, ацетиленовую сварку и электросварку: в обоих случаях возникает ослепительно яркое пламя и плавятся свариваемые металлы.

Значит, действие и электрического разряда и горения сводится к одному и тому же — повышению температуры окружающей среды до такой степени, что эта среда начинает светиться.

Причину такого интересного явления мы уже объясняли выше: это светятся прыгающие электроны в ионах газа. Правда, плазма в пламени газовой горелки или керосинового фонаря —¦ еще «не настоящая», в ней мало свободных электронов и ионов. Но тем не менее ей присущи многие черты «настоящей» плазмы.

Очевидно, чтобы получить плазму в «открытом» пространстве, к газу нужно подвести достаточное по его объему количество энергии, и притом быстро. Если же подводить энергию к газу постепенно, то в каждый момент удастся нагреть до высокой температуры только ничтожную порцию газа, так как, сталкиваясь с холодными соседними атомами, отдельные горячие ионы очень быстро растратят полученную энергию. Плазмы тогда не получится.

Но «ненастоящую» плазму можно создать и другими способами. Заключим некоторое количество газа в сосуд, введем в него электроды и подадим на них небольшое напряжение от источника электрического тока. Прибор покажет, что через нашу электрическую цепь ток почти не идет: цепь не замкнута. Поднесем сосуд с газом к работающей рентгеновской трубке. Как известно, рентгеновские лучи есть потоки квантов излучения — фотонов, отличающихся от фотонов видимого света только гораздо большей энергией. Прибор немедленно отметит появление тока в цепи.

Возникновение электрического тока говорит о том, что в газе появились свободные электроны, иными словами, часть атомов газа ионизировалась.

Свободные электроны в результате направленного движения замкнули цепь.

Первоначальную ионизацию осуществили энергичные фотоны рентгеновских лучей. Если ток достаточно велик, то выделяющаяся при прохождении тока энергия в состоянии поддержать нужный уровень ионизации и без рентгеновской трубки. Если же ток мал, то стоит отнести сосуд с газом на прежнее место, и ток быстро упадет. Это и понятно: часть свободных электронов в сосуде, двигаясь под действием электрического поля к электроду, перешла в его металл, другая часть электронов была на своем пути пленена ионами, которые при этом превратились в нейтральные атомы. В результате свободные заряженные частицы почти исчезли, и газ перестал проводить ток.

Итак, плазму можно создать нагреванием, облучением и, наконец, электрическим разрядом. Последний способ получения плазмы — один из наиболее «легких». Мы уже сказали, что холодный газ является хорошим изолятором, поскольку в нем отсутствуют переносчики тока — свободные заряженные частицы. В земных условиях, однако, такого абсолютно изолирующего газа нигде не найти: газ всегда хоть немного, но ионизирован. Это обусловлено посторонними по отношению к самому разряду причинами: радиоактивными веществами в земной коре испускаются энергичные частицы, которые ионизируют приземные слои воздуха; такую же роль играют частицы, как испускаемые Солнцем, так и приходящие из еще более далеких глубин мирового пространства, — космические лучи.

Вот это небольшое количество электронов и ионов в холодном газе, созданное посторонней ионизацией, играет роль «затравки» при электрическом разряде. Пусть на электроды, введенные внутрь разрядной камеры с газом, подано невысокое напряжение. Заряженные частицы в этом слабом электрическом поле не смогут приобрести сколько-нибудь значительную энергию. Электроны и ионы, двигаясь в таком поле, спокойно дойдут до электродов и разрядятся на них или воссоединятся друг с другом на пути к электродам. Над нейтральными же атомами, образующимися при таком воссоединении, электрическое поле уже не властно.

Правда, электрический разряд полностью не прекратится, посторонние ионизаторы все время образуют в газе новые ионы и электроны, но число их столь невелико, что ток в разряде будет чрезвычайно слабым. Газ в таком разряде — еще «не настоящая» плазма.

Начнем повышать напряжение на электродах. Результат окажется равносильным тому, который достигается при повышении температуры. Электроны и ионы, двигаясь вдоль разрядной камеры, будут приобретать от электрического поля все большую энергию. Наконец наступит момент, когда они, встречаясь на своем пути с нейтральными атомами газа, смогут ионизировать их. Новообразующиеся электроны и ионы тут же активно включаются в «разрушительную» работу, и число «неповрежденных» нейтральных атомов газа начинает быстро уменьшаться.

Получается картина, аналогичная обвалу в горах, когда с вершины срывается камень. Быстро набирая скорость в своем падении, этот камень сбрасывает несколько других, нижележащих, а они увлекают уже десятки. Число срывающихся камней быстро растет, и вниз уже летит грозная каменная лавина. То же происходит и в разрядной трубке. Быстро нарастающий .в силе электрический разряд приобретает характер электронно-ионной лавины.

Легко понять, что чем выше плотность газа в камере, то есть чем больше число атомов в единице объема таза, тем чаще будут на своем пути сталкиваться ионы и электроны с атомами таза, тем сильнее будет производимая ими ионизация и тем быстрее она будет происходить. В лавинном разряде образуется уже настоящая плазма. Сильные удары по атомам не только ионизируют их, но и возбуждают в них внутренние электроны, заставляя атомы высвечиваться. Поэтому при лавинных электрических разрядах наблюдается свечение газа.


Наша библиотека

Самое читаемое сегодня: