Плазма – четвертий стан речовини

Стародавні греки подарували нам, крім чудових творів мистецтва, прекрасне за своєю наївною простотою уявлення про будову світу. Вони вважали, що в основі всіх речей лежать чотири «початки», або «стихії»: земля, вода, повітря і вогонь. Вже за часів Ломоносова стало відомо, що перші три з них – всього лише різні стани речовини, які називаються відповідно твердим, рідким і газоподібним. А вогонь? Довгий час вчені не виділяли його в самостійну форму існування матерії. І лише в останні десятиліття вдалося проникнути в таємниці вогняного стану речовини, що отримала назву плазми.

Від трьох станів – до четвертого

Щоб зрозуміти, чим відрізняється четвертий стан від всіх інших, звернемося до «цеглин» будь-якої речовини – атомам. Атом кожної речовини складається з позитивно зарядженого ядра і оболонки з негативно заряджених електронів, що рухаються по різних орбітах. Зруйнувати цю оболонку не просто: сили електричної взаємодії утримують електрони на їх орбітах.

… У сонячний весняний день можна спостерігати, як тане шматок льоду на бруківці. Ось лід потемнів, розпушився, під ним з’явилася вода. Потім над водою закурилися тоненькі цівки туману, а через невеликий час зникла і вода: вона випарувалася. В обох цих перетвореннях електронна оболонка атомів, що входять в молекулу води, приймає мало участі. Сонячні промені, нагріваючи лід, спочатку передають його молекулам теплову енергію, достатню для того, щоб зруйнувати кристалічну решітку льоду. Потім теплова енергія, передана молекулам води, розриває зв’язки між ними – в результаті виникає пар. Помістимо його в посудину і станемо нагрівати.

Доведеться запастися терпінням. Прилад показує п’ятсот, тисячу, дві тисячі градусів. Ми все ще нічого не помічаємо. Але ось при температурі в декілька тисяч градусів у посудині виникає слабке світіння, яке стає все більш яскравим у міру подальшого підвищення температури.

Фізик скаже, що тепер пари води перейшли в полум’яний стан. А ми й не помітили цього. Але що не видно людському оку, не складає таємниці для чутливих фізичних приладів. Вони і повідають нам про те, що їм вдалося «побачити».

Плазма народжується

На що витрачається теплова енергія, що підводиться до посудини з газом? На збільшення швидкості руху молекул. Вони все швидше носяться в посудині, частіше і енергійніше стикаються один з одним. При цьому електронні оболонки їх атомів «трясуть» сильніше, поки від них не починають відриватися зовнішні, найбільш слабо пов’язані з ядром електрони. Атоми набувають позитивний заряд і стають іонами.

Прилад сповіщає нас: почалася іонізація – в газі з’явилися вільні електрони та іонізовані атоми. Температура підвищується, і оболонки атомів «тріщать по швах». Внутрішні електрони намагаються вибратися з атома. Але якщо у самого «виходу» їм не допоможе нове зіткнення, ядро втягне їх назад. При поверненні електрони віддають свою енергію у вигляді електромагнітного випромінювання, яке реєструється приладом. Та ми й самі бачимо: газ почав світитися.

При подальшому підвищенні температури світіння в посудині поступово стає сліпуче яскравим, нестерпним для очей. Плазма досягає, якщо можна так висловитися, ідеального стану: в посудині залишилися тільки вільні електрони і абсолютно оголені ядра атомів. Уявний термометр, якщо його помістити в посудину, показав би при цьому температуру в кілька мільйонів градусів.

Все не так просто

Ми не обмовилися. Уявним є не тільки термометр, а й сам дослід. Нагріти газ до такої температури зовсім не так просто, як, наприклад, закип’ятити воду в чайнику.

Перша лазівка, через яку вислизає енергія, що підходить до газу – це стінки судини, які нагріваються. Навіть якщо зробити їх з теплоізоляційного матеріалу, то і в цьому випадку температуру можна підвищувати лише до того моменту, поки газ не почне світитися. Тепер енергія вислизає з газу у вигляді електромагнітного випромінювання. Не допомагають при цьому і дзеркальні стінки.

Очевидно, що енергію в газ треба підводити не тепловим шляхом. Яким же? Найкращим способом отримання плазми є електричний розряд. У чому його переваги? По-перше, всі процеси протікають набагато швидше, ніж при хімічній реакції горіння. До того ж тривалість розряду можна обмежити мільйонними частками секунди, а потужність довести до мільйонів кіловат. Це важливо: розряд дозволяє підводити енергію в газ швидше, ніж вона вислизає з газу.

У природі і в побуті ми зустрічаємо багато прикладів електричного розряду в газах. Це блискавка і вольтова дуга, світіння проводів високої напруги і іскри в електричному ланцюзі. Але чому електричний струм взагалі йде через гази, які, як відомо, є ізоляторами? Разом з цим питанням виникає багато інших, настільки ж цікавих.

Іони у кімнаті. Холодна плазма

Виявляється, газ є ізолятором, так сказати, тільки теоретично. Практично ж він, хоч і слабо, завжди проводить електричний струм. Дехто, ймовірно, і не підозрює, що в повітрі, яким ми дихаємо, знаходяться іони. Ті самі іони, які, здавалося б, можуть утворюватися лише при дуже високих температурах. Їх поява викликана дією космічних променів, а також радіоактивних речовин, що знаходяться в земній корі. Правда, цих іонів дуже мало, але вони і є та «доріжка», по якій струм входить в газ.

Однак гість у чужому будинку може вести себе по-різному. Якщо напруга на електроди невелика, то розряд можна виявити лише за допомогою чутливих приладів – йде слабенький струм, і атоми газу в більшості залишаються нейтральними. Підвищимо напругу. Струм збільшиться. Все більше атомів газу втягується у процес іонізації, поки, нарешті, не виникає лавинний розряд, а з ним і полум’яний стан речовини.

Ми вже знаємо, що для того, щоб отримати плазму, треба розігріти газ до високої температури. Але доторкніться до лампи денного світла. Не бійтеся обпектися: стінки її абсолютно холодні. Тим часом ртутний пар в ній світиться, а це ознака плазми. Як же так? Справа в тому, що в одній і тій же плазмі можуть одночасно існувати кілька різних температур.

Щоб зрозуміти це, згадаємо визначення температури – не життєве, а наукове. Температура є мірою середньої енергії хаотичного руху частинок речовини. Чим більше ця енергія, тим вище температура. В іонізованому газі щонайменше три сорти частинок: електрони, іони і нейтральні атоми. А якщо є суміш газів, то число різних сортів частинок ще більше. Коли газ нагрівають, то зіткнення між його частками зрештою, призводять до вирівнювання енергій руху всіх видів частинок в ньому, тобто до вирівнювання температури. У плазмі встановлюється якась середня температура. Така плазма називається ізотермичною.

Інша справа – іонізація газу електричним розрядом. Тут вирівнювання енергій не відбувається. Коли через газ проходить струм, то електрони, налітаючи на нейтральні атоми, майже не змінюють енергію їх руху, так як дуже легкі в порівнянні з атомами. Зате електрони можуть іонізувати і порушувати атоми, і тоді виникає світіння. Іншими словами, середня енергія електронів вище, ніж середня енергія іонів, а значить, і температура електронів вище, ніж в іонів.

Це неізотермічна плазма. Вона існує в лампах денного світла, в яких електронна температура може доходити до десятків тисяч градусів – газ світиться. Іонна ж температура не перевищує кімнатної – стінки лампи холодні. Вирівняти ці температури можна лише при дуже високому тиску.

У перших трьох станах – твердому, рідкому і газоподібному – електричні і магнітні сили глибоко заховані в надрах речовини. Вони цілком йдуть на те, щоб зв’язувати ядра і електрони в атоми, атоми в молекули і в кристали. Речовина в цих станах виявляється в цілому електрично нейтральною. Інша справа – плазма. Електричні та магнітні сили тут виступають на перший план і визначають всі її основні властивості. Плазма з’єднує в собі властивості трьох станів: твердого (метал), рідкого (електроліт) і газоподібного. Від металу вона бере високу електропровідність, від електроліту – іонну провідність, від газу – велику рухливість частинок. І всі ці властивості переплітаються так складно, що плазма виявляється дуже важкою для вивчення.

І все-таки вченим вдається за допомогою тонких фізичних приладів заглянути в сліпучо світлу газову хмару. Їх цікавить кількісний і якісний склад плазми, взаємодія її частин один з одним.

До розжареної плазми руками не доторкнешся. Її обмацують за допомогою дуже чутливих «пальців» – електродів, що вводяться в плазму. Ці електроди називаються зондами. Вимірюючи силу струму, що йде на зонд, при різних напружених, можна дізнатися ступінь концентрації електронів та іонів, їх температуру і ряд інших характеристик плазми.

Склад плазми дізнаються, беручи проби плазмового речовини. Спеціальними електродами витягають невеликі порції іонів, які потім сортують по масам за допомогою дотепного фізичного приладу – мас-спектрометра. Цей аналіз дає можливість дізнатися також знак і ступінь іонізації, тобто чи негативно або позитивно, одноразово або багато разів іонізовані атоми.

Плазму обмацують також радіохвилями. На відміну від звичайного газу плазма їх сильно відбиває, підчас сильніше, ніж метали. Це пов’язано з наявністю в плазмі вільних електричних зарядів. Донедавна таке радіообмацування було єдиним джерелом відомостей про іоносферу – чудове плазмове «дзеркало», яке природа помістила високо над Землею. Сьогодні іоносфера досліджується також за допомогою штучних супутників і висотних ракет, які беруть проби іоносферної речовини і «на місці» виробляють її аналіз.

Плазма – дуже нестійкий стан речовини. Забезпечити узгоджений рух всіх її складових частин – дуже нелегка справа. Часто здається, що це досягнуто, плазма втихомирена, але раптово з якихось не завжди відомих причин в ній утворюються згущення і розрідження, виникають сильні коливання, і її спокійна поведінка різко порушується.

Іноді ж «гра» електричних і магнітних сил в плазмі сама приходить на допомогу вченим. Ці сили можуть утворювати з плазми тіла компактної і правильної форми, названі плазмоїдами. Форма плазмоїдів може бути дуже різноманітною. Тут і кільця, і трубки, і здвоєні кільця, і перекрученні шнури. Плазмоїди досить стійкі. Наприклад, якщо «вистрілити» назустріч один одному двома плазмоїдами, то вони при зіткненні відлетять один від одного, як більярдні кулі.

Вивчення плазмоїдів дозволяє краще зрозуміти процеси, що відбуваються з плазмою в гігантських масштабах всесвіту. Один з видів плазмоїдов – шнур – грає дуже важливу роль у спробах вчених створити керовану термоядерну реакцію. Плазмоїди, мабуть, будуть використані також в плазмовій хімії та металургії.

На Землі і в космосі

На Землі плазма – досить рідкісний стан речовини. Але вже на невеликих висотах полум’яний стан починає переважати. Потужне ультрафіолетове, корпускулярне і рентгенівське випромінювання Сонця іонізує повітря у верхніх шарах атмосфери і викликає утворення плазмових «хмар» в іоносфері. Верхні шари атмосфери – це захисна броня Землі, що оберігає все живе від згубної дії сонячних випромінювань. Іоносфера – відмінне дзеркало для радіохвиль (за винятком ультракоротких), що дозволяє здійснювати земний радіозв’язок на далекі відстані.

Верхні шари іоносфери не зникають і вночі: надто розріджена в них плазма, щоб виникли днем іони і електрони встигли возз’єднатися. Чим далі від Землі, тим менше в атмосфері нейтральних атомів, а на відстані в півтораста мільйонів кілометрів знаходиться найближчий до нас колосальний згусток плазми – Сонце.

З нього постійно вилітають фонтани плазми – часом на висоту в мільйони кілометрів, – так звані протуберанці. По поверхні переміщуються вихори дещо менш гарячої плазми – сонячні плями. Температура на поверхні Сонця близько 5500 °, плям – на 1 000 ° нижче. На глибині 70 тисяч кілометрів – уже 400 000 °, а ще далі температура плазми досягає більше 10 мільйонів градусів.

У цих умовах ядра атомів сонячної речовини абсолютно оголені. Тут при гігантських тисках весь час йдуть термоядерні реакції злиття ядер водню і перетворення їх в ядра гелію. Виділяється при цьому енергія заповнює ту, що Сонце так щедро випромінює в світовий простір, «опалюючи» і висвітлюючи всю свою систему планет.

Зірки у всесвіті знаходяться на різних стадіях розвитку. Одні вмирають, повільно перетворюючись на холодний несвітний газ, інші вибухають, викидаючи в простір величезні хмари плазми, які через мільйони і мільярди років досягають у вигляді космічних променів інших зоряних світів. Є області, де сили тяжіння згущують газові хмари, в них ростуть тиск і температура, поки не створюються сприятливі умови для появи плазми і збудження термоядерних реакцій, – і тоді спалахують нові зірки. Плазма в природі знаходиться в безперервному кругообігу.

Сьогодення і майбутнє плазми

Вчені стоять на порозі оволодіння плазмою. На зорі людства найбільшим досягненням було вміння отримувати і підтримувати вогонь. А сьогодні знадобилося створити і зберегти на тривалий час іншу, набагато більш «високоорганізовану» плазму.

Ми вже говорили про застосування плазми в господарстві: вольтова дуга, лампи денного світла, газотрони і тиратрони. Але тут «працює» порівняно негаряча плазма. У вольтовій дузі, наприклад, іонна температура становить близько чотирьох тисяч градусів. Однак зараз з’являються надміцні сплави, які витримують температуру до 10-15 тисяч градусів. Щоб обробляти їх, потрібна плазма з більш високою іонною температурою. Застосування її обіцяє чималі перспективи і для хімічної промисловості, оскільки багато реакцій протікають тим швидше, чим вище температура.

До якої ж температури поки вдалося розігріти плазму? До десятків мільйонів градусів. І це не межа. Дослідники вже знаходяться на підступах до керованої термоядерної реакції синтезу, в ході якої виділяються величезні кількості енергії. Уявіть собі штучне сонце. І не одне, а декілька. Адже вони змінять клімат нашої планети, назавжди знімуть з людства турботу про паливо.

Ось які застосування очікують плазму. А поки ведуться дослідження. Великі колективи вчених напружено працюють, наближаючи той день, коли четвертий стан речовини стане для нас таким же звичайним, як і три інших.

Автор: В. Риднік.