Несмотря на то, что почти вся масса во Вселенной существует в состоя­нии плазмы, в земных условиях с плазмой мы сталкиваемся чрезвычайно редко, например в таких случаях, как разряд молнии или разряд радиационного источ­ника. Однако вся масса звезд, включая наше Солнце (за исключением нейтрон­ных звезд) и большая часть межзвездной массы находятся в плазменном со­стоянии, в сравнении с которым вся остающаяся масса вселенной - «мусор». Все планеты, астероиды, луны, кометы и даже наша собственная Земля - части (того «мусора». Плазма - источник электромагнитных волн и, в особенности, видимого света. В высокотемпературной плазме электрически заряженные час­тицы перемещаются с огромными скоростями, взаимодействуя друг с другом и быстро изменяя скорости и направления движения. Спектр такой радиации не­прерывен. В низкотемпературной плазме присутствуют атомы с электронами, связанными в электронных оболочках. Их взаимодействия приводят к перехо­дам электронов между различными энергетическими уровнями в электронных оболочках. Энергия, высвобождаемая в результате таких переходов на более низкие уровни, также испускается в форме электромагнитных волн. Спектр этого излучения имеет линейчатую или полосчатую картину.

Свойства плазмы отличаются весьма существенно от свойств твердых тел, жидкостей и газов. Поэтому плазму принято считать четвертым состояни­ем вещества.

Что такое плазма? В принципе, плазма это вещество в высокоионизиро­ванном состоянии, соответствующем некоторым другим условиям (так как ве­щество всегда до некоторой степени ионизовано). Не только в газах, но также и в твердых телах множество свободных электронов (движущихся на фоне поло­жительно заряженных ионов, твердо зафиксированных в кристаллической ре­шетке), могут наблюдаться как плазма. По определению, плазма - квазинейт­ральный газ заряженных и нейтральных частиц, ведущих себя коллективно. Что это означает?

Нейтральные молекулы взаимодействуют только путем взаимных столк­новений таким образом, чтобы их поведение зависело только от поведения ближайших соседних молекул. Однако движение электрически заряженных частиц может создавать области с более высокой или более низкой концентра­цией положительного или отрицательного заряда и, следовательно, электриче­ских полей. Через электромагнитное взаимодействие эти области влияют на движение других заряженных частиц на больших расстояниях, поскольку

Кулоновские (электростатические) силы намного сильнее и продолжительнее, чем сила взаимодействия между атомами и молекулами.

Плотность электрически заряженных частиц в плазме должна быть доста­точно высокой, чтобы электромагнитные взаимодействия доминировали над столкновениями между нейтральными атомами и молекулами. Отсюда специ­фическое движение плазмы. Под коллективным поведением мы понимаем дви­жение, которое зависит не только от условий в непосредственной близости, но также и от плазменных условий на больших расстояниях. Таким образом, плаз­ма оказывает воздействие на себя. Это движение может ясно наблюдаться, на­пример, в извержениях (протуберанцах).

Плотность электрически заряженных частиц в плазме должна быть высо­кой еще и для того, чтобы электромагнитные взаимодействия доминировали над столкновениями между нейтральными атомами и молекулами. В этих условиях ионизированный газ способен экранировать внешние электрические поля, фор­мируя объемные заряды. Эти объемные заряды препятствуют тем изменениям, которые создали их, действуют против них и устанавливают новое равновесие. Экранирующий объемный заряд заряженных частиц с противоположным заря­дом образуется вокруг внешнего электрического заряда, который встроен в плазму и поддерживается там внешней силой, как это показано на рис. 4.1.

Ширина этого слоя увеличивается с температурой и уменьшается с увели­чением плотности частиц. Это и понятно. Кинетическая энергия заряженных час­тиц вызывает недостаточное экранирование, так что вне объемного заряда элект­рическое поле не равно нулю, но приближается к нулю, как показано на рис. 4.2.

По этой причине у частиц вблизи экранирующего слоя кинетической энер­гии достаточно для того, чтобы покинуть потенциальную яму, созданную элект­ростатическими силами. Более высокая температура заряженных частиц приво­дит к большей диффузности экранирующего слоя и к большей его ширине.

С другой стороны, чем выше концентрация заряженных частиц, тем выше электростатические силы. Следовательно, объемный заряд имеет более резкую границу. Трудности с определением точной границы слоя экранирования при­водят к необходимости введения новой величины, названной длиной Дебая, ко­торая является мерой экранирующей способности плазмы. Математика дает экспоненциальную зависимость для электрического потенциала (р от расстоя­ния d, и длина Дебая XD определяется как расстояние, на котором электрический

потенциал (р() уменьшается до -, где е - известная математическая константа -

основа натуральных логарифмов.

Квазинейтральность означает, что с точки зрения макроскопической пер­спективы плотность электронов фактически равна плотности ионов даже в ма­лых объемах плазмы; это называют плазменной плотностью. Плазма, таким об­разом, внешне электрически нейтральна, но с микроскопической точки зрения электромагнитные взаимодействия свободных электронов и ионов придают плазме ее некоторые особенности. Например, возможность того, что у электро­нов и ионов имеют место различные температуры в одной и той же плазме; дрейф или смещение частиц в магнитном поле; нагрев плазмы многоступенча­тым адиабатным сжатием в магнитных зеркалах (или так называемый пинч - эффект); плазменные волны (например, плазменные колебания, свист, ударные волны и т. д.); нелинейные эффекты (такие как существование стенного слоя); плазменный край (а именно, граница между частотами переданных и отражен­ных фотонов, то есть, электромагнитные волны) и т. д. Более детальное описа­ние этих эффектов не является предметом рассмотрения этой главы. Те, кто ин-

тересуется этими вопросами, могут найти дополнительную информацию в спе­циальной литературе, например в .

Чтобы соответствовать определению плазмы, данной выше, должны быть также выполнены и другие условия. Объем плазмы по размеру должен быть намного большим (по крайней мере, на один порядок величины), чем длина Де­бая. Только тогда, когда все внешние потенциалы будут экранированы на рас­стояниях, меньших, чем размер плазмы, квазинейтральность будет сохраняться. Более того, дебаевское экранирование будет иметь статистический характер, если число заряженных частиц будет достаточно большим. Небольшое количе­ство электронно-ионных пар не могут рассматриваться как плазма.

Температура - результат движения частиц. Однако температура плазмы требует несколько другой интерпретации, чем обычно. В плазме высокая тем­пература не связана с высокой тепловой энергией. Например во флуоресцент­ной трубе дуговой разряд низкого давления «горит» в смеси паров Аг и Hg. Различные температуры существуют в одной и той же плазме, поскольку элек­троны и ионы имеют различные массы и по-разному ускоряются в электриче­ском поле. Поэтому они имеют различные средние энергии. Электронная тем­пература имеет порядок Т *104К. Но давление газа низко, концентрация час­тиц относительно мала и теплоемкость низка. Тепловая энергия передается стеклянной трубе путем воздействия частиц, испускаемых в окружающую сре­ду. Температура задается статистическим распределением энергии индивиду­альных частиц . Согласно соотношению Е = кТ, где к - постоянная Больц­мана, а температура Т = 11 600 К соответствует энергии Е = 1 eV. Это явление наблюдается также и в атмосфере Земли. На высотах, больших, чем h = 10 000 м от поверхности Земли, атмосфера более сильно ионизована под воздействием космического излучения. Температура плазмы достигает величины выше, чем Т> 10 000 К, в то время как температура воздуха очень мала. Следует подчерк­нуть, что при такой низкой температуре плазмы кратность ионизации обычно очень низка. Большинство атомов находится в нейтральном состоянии и только некоторые ионизованы. Процент ионизованных атомов - малая величина.

На рис. 4.3 представлены типичные области некоторых типов плазмы в за­висимости от ее плотности и энергии электрона. Для некоторых областей также даны порядки величины дебаевских длин в метрах. Очевидно, что у плазмы есть действительно очень широкие пределы. Она может существовать при концентра­циях заряженных частиц от я«106м~3 в межзвездном пространстве до ««Юм в ядрах звезд. При взрывах сверхновой звезды плотность может быть еще более высокой. Точно так же энергии заряженных частиц могут составлять величины около Е « 10 2 eV в межзвездном пространстве, около £ « 10 2 eV в ионно-электронном газе в твердом теле и до Е * 104 еV в ядрах самых горячих звезд. Но с какой плазмой мы можем обычно сталкиваться на Земле?

Степень ионизации в плазме пламени в классических процессах горения или быстрого окисления очень мала. При обычном горении температура в пла­мени составляет величину приблизительно Г = 1000 К, а в специально сконст­руированных горелках она достигает максимума - Т = 4500 К.

■ открытый космос

С точки зрения плазмы эти температуры очень малы, но этот вид плазмы представляет собой наиболее распространенный тип плазмы в земных условиях.

Существенно более высокие температуры могут быть достигнуты в плаз­ме электрического разряда. Молния, видимо, единственная форма более высо­котемпературной плазмы, с более высокими степенями ионизации, которая возникает спонтанно в природе. Вспышка молнии - это гигантский искровой разряд, в котором плазма с температурой Т = 3x104 К образуется в проводя­щем канале диаметром приблизительно г = 0,1 м на период порядка / = 10"6 с. Мгновенно нагретый газ расширяется, создавая акустические волны, то есть гром. Искусственно созданная в электрическом разряде плазма широко исполь­зуется в различных технологиях, описание которых находится вне области рас­смотрения настоящего издания.

Плазма электрического разряда принадлежит к категории низкотемпера­турной плазмы, хотя в ней достигаются температуры порядка Т « 104 К. Под высокотемпературной плазмой мы понимаем полностью ионизированную плазму, в которой не существует никаких нейтральных атомов. Это состояние формируется при температурах 7’>105К. В случае водородной плазмы даль­нейшее возбуждение может происходить только с увеличением температуры. В плазме более тяжелых элементов подаваемая энергия используется для мно­гократной ионизации, то есть образования большего числа электронов. В плаз-

ме тяжелых элементов ядра становятся полностью «очищенными» при темпе­ратурах около Т «10е К. При таких температурах у ядер атомов водорода (про­тонов) имеется достаточная кинетическая энергия, чтобы преодолеть отталки­вающие силы идентичных электрических зарядов, и приблизиться к каждому настолько близко (^ = 1(Г|5м), чтобы вызвать ядерные реакции. Такая плазма существует, например, в ядрах звезд и в недрах нашего Солнца в частности. Для «очистки» еще более тяжелых ядер необходимы еще более высокие темпе­ратуры, так как ядерные электрические заряды более высоки, и поэтому оттал­кивающие электростатические силы между ядрами больше. При температурах приблизительно Т = 10й К, достижимых в течение коротких периодов во время взрыва сверхновой звезды, ядра расщепляются полностью, образуя плазму, в которой могут существовать только свободные ядра водорода (протоны) и сво­бодные электроны.

Далее обратимся к физике ядерного энерговыделения. Ядра атомов со­стоят из протонов и нейтронов. Однако ядерная масса покоя ниже, чем сумма масс покоя свободных протонов и нейтронов, из которого ядро состоит. Этот дефект массы преобразуется в ядерную энергию связи, которая скрепляет ядро.

Это выражено известной формулой Е - Ате2 Эйнштейна. Рисунок 4.4 пояс­няет зависимость энергии связи от массового числа ядра. Очевидно, что энер­гия может быть получена или слиянием легких ядер в более тяжелые ядра, на­ходящиеся в состоянии стабильных ядер, или расщеплением более тяжелых ядер также в стабильные ядра. Слияние легких ядер называют термоядерной

реакцией, или ядерным синтезом и имеет место в ядрах звезд. Масса Солнца сформирована, главным образом, из водородных ядер и свободных электронов, небольшой доли ядер гелия и следов литиевых ядер, а также, возможно, более тяжелых элементов. В табл. 4.1 приводятся примеры некоторых реакций, происходящих в ядре Солнца. Показано также количество энергии, выделяю­щееся в результате различных реакций.

Таблица 4.1. Примеры ядерных реакций в солнечном ядре

Процесс деления тяжелых ядер может проходить управляемым способом и ядерных реакторах расщепления либо как неуправляемая реакция ядерного взрыва. Высокотемпературная плазма может быть искусственно создана либо ядерным взрывом, либо в очень сложных устройствах , работающих обычно в импульсном режиме с длительностью импульса в интервале от микросекунды до миллисекунды.

К этим устройствам относятся так называемые закрытые торы (токамаки), магнитные ловушки. Магнитные ловушки - это устройства, работающие с пинч-эффектом, использующие лазерное нагревание, и т. д. Однако практиче­ская значимость таких устройств для производства энергии с помощью термо­ядерных реакций в настоящее время существенно ограничена, несмотря на ин­тенсивные усилия по их техническому усовершенствованию и использованию для выработки электроэнергии. Собственно ядерный взрыв всегда минимально полезен для мирных целей.

Высокотемпературная плазма с полностью «очищенными» ядрами обра­зуется тогда, когда все электроны удалены от атомных ядер в результате мно­жественной ионизации. Такая плазма не может испускать линейчатый спектр, поскольку электроны полностью свободны и не могут демонстрировать пере-

мещения между энергетическими уровнями в электронных оболочках атомов. Поэтому испускаются только фотоны с отличительным признаком шума, воз­никающего в результате столкновений электрически заряженных частиц, у ко­торых направление движения внезапно меняется, что сопровождается испуска­нием электромагнитной волны (фотон). Спектр испускания такой плазмы очень широк и непрерывен. Он распространяется через высокоэнергетичную ультра­фиолетовую область до рентгеновских лучей. Эта энергия фотона испускается, то есть она удаляется из плазмы. Без ее восполнения температура плазмы начи­нала бы уменьшаться, а электроны и ионы начали бы рекомбинировать, т. е. плазма просто исчезла бы. В звездах излучаемая наружу энергия восполняется энергией, выделяемой в результате термоядерных реакций, происходящих в их ядрах. В случае искусственной плазмы (в отсутствие ядерных реакций) для ее поддержания энергия должна, так или иначе, поставляться извне непрерывно, например в форме электроэнергии, высокочастотной энергии электрического поля или лазерного излучения

Времена, когда плазма ассоциировалась у нас с чем-то нереальным, непонятным, фантастическим, уже давно прошли. В наши дни это понятие активно используется. Плазму применяют в промышленности. Наиболее масштабно ее используют в светотехнике. Пример - газоразрядные лампы, освещающие улицы. Но и в лампах дневного света она присутствует. Она есть и в электрической сварке. Ведь дуга сварки - это плазма, сгенерированная плазмотроном. Можно привести и множество других примеров.

Физика плазмы - важный раздел науки. Поэтому стоит разобраться с основными понятиями, относящимися к ней. Этому и посвящена наша статья.

Определение и виды плазмы

Что же в физике дается вполне четкое. Плазменным называют такое состояние вещества, когда в последнем имеется значительное (соизмеримое с полным числом частиц) число заряженных частиц (носителей), способных более или менее свободно перемещаться внутри вещества. Можно выделить следующие основные виды плазмы в физике. Если носители принадлежат к частицам одного сорта (а частицы противоположного знака заряда, нейтрализующие систему, не имеют свободы перемещения), ее называют однокомпонентной. В противоположном случае она является - двух- или многокомпонентной.

Особенности плазмы

Итак, мы вкратце охарактеризовали понятие о плазме. Физика - наука точная, поэтому без определений здесь не обойтись. Расскажем теперь об основных особенностях этого состояния вещества.

В физике следующие. Прежде всего, в этом состоянии под действием уже малых электромагнитных сил возникает движение носителей - ток, который протекает таким образом и до тех пор, пока эти силы не исчезнут благодаря экранировке их источников. Поэтому плазма в конце концов переходит в состояние, когда она квазинейтральна. Другими словами, ее объемы, большие некоторой микроскопической величины, имеют нулевой заряд. Вторая особенность плазмы связана с дальнодействующим характером кулоновских и амперовских сил. Она состоит в том, что движения в этом состоянии, как правило, имеют коллективный характер, вовлекая большое число заряженных частиц. Таковы основные свойства плазмы в физике. Их полезно было бы запомнить.

Обе эти особенности ведут к тому, что физика плазмы необычайно богата и разнообразна. Наиболее ярким ее проявлением служит легкость возникновения различного рода неустойчивостей. Они являются серьезным препятствием, затрудняющим практическое применение плазмы. Физика - эта наука, которая постоянно развивается. Поэтому можно надеяться, что со временем эти препятствия будут устранены.

Плазма в жидкостях

Переходя к конкретным примерам структур, начнем с рассмотрения плазменных подсистем в конденсированном веществе. Среди жидкостей следует прежде всего назвать - пример, которому отвечает плазменная подсистема - однокомпонентная плазма носителей-электронов. Строго говоря, к интересующему нас разряду следовало бы отнести и жидкости-электролиты, в которых имеются носители - ионы обоих знаков. Однако по разным причинам электролиты не относят к данному разряду. Одна из них состоит в том, что в электролите нет легких, подвижных носителей, таких как электроны. Поэтому указанные выше свойства плазмы выражены существенно слабее.

Плазма в кристаллах

Плазма в кристаллах носит специальное название - плазма твердого тела. В ионных кристаллах хотя и имеются заряды, но они неподвижны. Поэтому плазмы там нет. В металлах же - проводимости, составляющие однокомпонентную плазму. Ее заряд компенсируется зарядом неподвижных (точнее говоря, неспособных смещаться на большие расстояния) ионов.

Плазма в полупроводниках

Рассматривая основы физики плазмы, необходимо отметить, что в полупроводниках ситуация более разнообразная. Вкратце охарактеризуем ее. Однокомпонентная плазма в этих веществах может возникнуть, если ввести в них соответствующие примеси. Если примеси легко отдают электроны (доноры), то возникают носители n-типа - электроны. Если же примеси, напротив, легко отбирают электроны (акцепторы), то возникают носители р-типа - дырки (пустые места в распределении электронов), которые ведут себя как частицы с положительным зарядом. Двухкомпонентная же плазма, образованная электронами и дырками, возникает в полупроводниках еще более простым образом. Например, она появляется под действием световой накачки, забрасывающей электроны из валентной зоны в зону проводимости. Отметим, что при определенных условиях электроны и дырки, притягивающиеся друг к другу, могут образовать связанное состояние, подобное атому водорода, - экситон, а если накачка интенсивна, и плотность экситонов велика, то они сливаются вместе и образуют каплю электронно-дырочной жидкости. Иногда такое состояние считают новым состоянием вещества.

Ионизация газа

Приведенные примеры относились к особым случаям плазменного состояния, а плазмой в чистом виде называется К его ионизации могут приводить многие факторы: электрическое поле (газовый разряд, гроза), световой поток (фотоионизация), быстрые частицы (излучение радиоактивных источников, которые и были открыты по возрастанию степени ионизации с высотой). Однако главным фактором является нагрев газа (термическая ионизация). В этом случае к отрыву электрона от соударение с последним другой частицы газа, имеющей достаточную кинетическую энергию за счет высокой температуры.

Высокотемпературная и низкотемпературная плазма

Физика низкотемпературной плазмы - то, с чем мы соприкасаемся практически каждый день. Примерами такого состояния могут служить пламя, вещество в газовом разряде и молнии, различные виды холодной космической плазмы (ионо- и магнитосферы планет и звезд), рабочее вещество в различных технических устройствах (МГД-генераторах, горелках и т. п.). Примеры высокотемпературной плазмы - вещество звезд на всех этапах их эволюции, кроме раннего детства и старости, рабочее вещество в установках по управляемому термоядерному синтезу (токамаки, лазерные устройства, пучковые устройства и др.).

Четвертое состояние вещества

Полтора века назад многие физики и химики полагали, что материя состоит только из молекул и атомов. Они объединяются в комбинации либо совсем неупорядоченные, либо более-менее упорядоченные. Считалось, что существует три фазы - газообразная, жидкая и твердая. Вещества принимают их под влиянием внешних условий.

Однако в настоящее время можно говорить о том, что имеется 4 состояния вещества. Именно плазму можно считать новым, четвертым. Ее отличие от конденсированного (твердого и жидкого) состояний заключается в том, что она, как и газ, не имеет не только сдвиговой упругости, но и фиксированного собственного объема. С другой стороны, плазму роднит с конденсированным состоянием наличие ближнего порядка, т. е. корреляция положений и состава частиц, соседних с данным зарядом плазмы. В этом случае такая корреляция порождается не межмолекулярными, а кулоновскими силами: данный заряд отталкивает от себя одноименные с ним самим заряды и притягивает разноименные.

Физика плазмы была нами вкратце рассмотрена. Эта тема достаточно объемна, поэтому можно говорить лишь о том, что мы раскрыли ее основы. Физика плазмы, безусловно, заслуживает дальнейшего рассмотрения.

– частично или полностью ионизованный газ, образованный из нейтральных атомов (или молекул) и заряженных частиц (ионов и электронов). Важнейшей особенностью плазмы является ее квазинейтральность, это означает, что объемные плотности положительных и отрицательных заряженных частиц, из которых она образована, оказываются почти одинаковыми. Газ переходит в состояние плазмы, если некоторые из составляющих его атомов (молекул) по какой-либо причине лишились одного или нескольких электронов, т.е. превратились в положительные ионы. В некоторых случаях в плазме в результате «прилипания» электронов к нейтральным атомам могут возникать и отрицательные ионы. Если в газе не остается нейтральных частиц, плазма называется полностью ионизованной.

Между газом и плазмой нет резкой границы. Любое вещество, находящееся первоначально в твердом состоянии, по мере возрастания температуры начинает плавиться, а при дальнейшем нагревании испаряется, т.е. превращается в газ. Если это молекулярный газ (например, водород или азот), то с последующим повышением температуры происходит распад молекул газа на отдельные атомы (диссоциация). При еще более высокой температуре газ ионизуется, в нем появляются положительные ионы и свободные электроны. Свободно движущиеся электроны и ионы могут переносить электрический ток, поэтому одно из определений плазмы гласит: плазма – это проводящий газ. Нагревание вещества не является единственным способом получения плазмы.

Плазма – четвертое состояние вещества, она подчиняется газовым законам и во многих отношениях ведет себя как газ. Вместе с тем, поведение плазмы в ряде случаев, особенно при воздействии на нее электрических и магнитных полей, оказывается столь необычным, что о ней часто говорят как о новом четвертом состоянии вещества. В 1879 английский физик В.Крукс, изучавший электрический разряд в трубках с разреженным воздухом, писал: «Явления в откачанных трубках открывают для физической науки новый мир, в котором материя может существовать в четвертом состоянии». Древние философы считали, что основу мироздания составляют четыре стихии: земля, вода, воздух и огонь. В известном смысле это отвечает принятому ныне делению на агрегатные состояния вещества, причем четвертой стихии – огню и соответствует, очевидно, плазма.

Сам термин «плазма» применительно к квазинейтральному ионизованному газу был введен американскими физиками Лэнгмюроми Тонксом в 1923 при описании явлений в газовом разряде. До той поры слово «плазма» использовалось лишь физиологами и обозначало бесцветный жидкий компонент крови, молока или живых тканей, однако вскоре понятие «плазма» прочно вошло в международный физический словарь, получив самое широкое распространение.

Франк-Каменецкий Д.А. Плазма – четвертое состояние вещества . М., Атомиздат, 1963
Арцимович Л.А. Элементарная физика плазмы . М., Атомиздат, 1969
Смирнов Б.М. Введение в физику плазмы . М., Наука, 1975
Милантьев В.П., Темко С.В. Физика плазмы . М., Просвещение, 1983
Чен Ф. Введение в физику плазмы . М., Мир, 1987

Найти "ПЛАЗМА " на

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Тихоокеанский государственный экономический университет

Кафедра физики

Тема: Плазма - четвертое состояние вещества

Выполнила:

Агрега́тное состоя́ние - состояние вещества, характеризующееся определёнными качественными свойствами: способностью или неспособностью сохранять объём и форму, наличием или отсутствием дальнего и ближнего порядка и другими. Изменение агрегатного состояния может сопровождаться скачкообразным изменением свободной энергии, энтропии, плотности и других основных физических свойств.

Известно, что любое вещество может существовать только в одном из трех состояний: твердом, жидком или газообразном, классическим примером чему является вода, которая может быть в виде льда, жидкости и пара. Однако веществ, пре­бывающих в этих считающихся бесспорными и общераспространенными состояниях, если брать всю Вселенную в целом, очень мало. Они вряд ли пре­вышают то, что в химии считается ничтожно малыми следами. Все остальное вещество Вселенной пребывает в так называемом плазменном состоянии.

Словом «плазма» (от греч. «плазма» - «оформленное») в середине XIX

в. стали именовать бесцветную часть крови (без красных и белых телец) и

жидкость, наполняющую живые клетки. В 1929 г. американские физики Ирвинг Лёнгмюр (1881-1957) и Леви Тонко (1897-1971) назвали плазмой ионизованный газ в газоразрядной трубке.

Английский физик Уильям Крукс (1832-1919), изучавший электрический

разряд в трубках с разрежённым воздухом, писал: «Явления в откачанных

трубках открывают для физической науки новый мир, в котором материя может существовать в четвёртом состоянии».

В зависимости от температуры любое вещество изменяет своё

состояние. Так, вода при отрицательных (по Цельсию) температурах находится в твёрдом состоянии, в интервале от 0 до 100 "С - в жидком, выше 100 °С-в газообразном. Если температура продолжает расти, атомы и молекулы начинают терять свои электроны - ионизуются и газ превращается в плазму. При температурах более 1000000 °С плазма абсолютно ионизована - она состоит только из электронов и положительных ионов. Плазма - наиболее распространённое состояние вещества в природе, на неё приходится около 99 % массы Вселенной. Солнце, большинство звёзд, туманности - это полностью ионизованная плазма. Внешняя часть земной атмосферы (ионосфера) тоже плазма.

Ещё выше располагаются радиационные пояса, содержащие плазму.

Полярные сияния, молнии, в том числе шаровые, - всё это различные виды плазмы, наблюдать которые можно в естественных условиях на Земле. И лишь ничтожную часть Вселенной составляет вещество в твёрдом состоянии - планеты, астероиды и пылевые туманности.

Под плазмой в физике понимают газ, состоящий из электрически

заряженных и нейтральных частиц, в котором суммарный электрический заряд равен нулю, т. с. выполнено условие квазинейтральности (поэтому, например, пучок электронов, летящих в вакууме, не плазма: он несет отрицательный заряд).

1.1. Наиболее типичные формы плазмы

Наиболее типичные формы плазмы
Искусственно созданная плазма Плазменная панель (телевизор, монитор) Вещество внутри люминесцентных (в т. ч. компактных) и неоновых ламп Плазменные ракетные двигатели Газоразрядная корона озонового генератора Исследования управляемого термоядерного синтеза Электрическая дуга в дуговой лампе и в дуговой сварке Плазменная лампа (см. рисунок) Дуговой разряд от трансформатора Теслы Воздействие на вещество лазерным излучением Светящаяся сфера ядерного взрыва	Земная природная плазма Молния Огни святого Эльма Ионосфера Языки пламени (низкотемпературная плазма)	Космическая и астрофизическая плазма Солнце и другие звезды (те, которые существуют за счет термоядерных реакций) Солнечный ветер Космическое пространство (пространство между планетами, звездами игалактиками) Межзвездные туманности

Свойства и параметры плазмы

Плазма обладает следующими свойствами:

Достаточная плотность: заряженные частицы должны находиться достаточно близко друг к другу, чтобы каждая из них взаимодействовала с целой системой близкорасположенных заряженных частиц. Условие считается выполненным, если число заряженных частиц в сфере влияния (сфера радиусом Дебая) достаточно для возникновения коллективных эффектов (подобные проявления - типичное свойство плазмы). Математически это условие можно выразить так:

, где - концентрация заряженных частиц.

Приоритет внутренних взаимодействий: радиус дебаевского экранирования должен быть мал по сравнению с характерным размером плазмы. Этот критерий означает, что взаимодействия, происходящие внутри плазмы более значительны по сравнению с эффектами на ее поверхности, которыми можно пренебречь. Если это условие соблюдено, плазму можно считать квазинейтральной. Математически оно выглядит так:

Плазменная частота: среднее время между столкновениями частиц должно быть велико по сравнению с периодом плазменных колебаний. Эти колебания вызываются действием на заряд электрического поля, возникающего из-за нарушения квазинейтральности плазмы. Это поле стремится восстановить нарушенное равновесие. Возвращаясь в положение равновесия, заряд проходит по инерции это положение, что опять приводит к появлению сильного возвращающего поля, возникают типичные механические колебания. Когда данное условие соблюдено, электродинамические свойства плазмы преобладают над молекулярно-кинетическими. На языке математики это условие имеет вид:

2.1. Классификация

Плазма обычно разделяется на идеальную и неидеальную, низкотемпературную и высокотемпературную, равновесную и неравновесную, при этом довольно часто холодная плазма бывает неравновесной, а горячая равновесной.

2.2. Температура

При чтении научно-популярной литературы читатель зачастую видит значения температуры плазмы порядка десятков, сотен тысяч или даже миллионов °С или К. Для описания плазмы в физике удобно измерять температуру не в °С, а в единицах измерения характерной энергии движения частиц, например, в электрон-вольтах (эВ). Для перевода температуры в эВ можно воспользоваться следующим соотношением: 1 эВ = 11600 K (Кельвин). Таким образом становится понятно, что температура в «десятки тысяч °С» достаточно легко достижима.

В неравновесной плазме электронная температура существенно превышает температуру ионов. Это происходит из-за различия в массах иона и электрона, которое затрудняет процесс обмена энергией. Такая ситуация встречается в газовых разрядах, когда ионы имеют температуру около сотен, а электроны около десятков тысяч K.

В равновесной плазме обе температуры равны. Поскольку для осуществления процесса ионизации необходимы температуры, сравнимые с потенциалом ионизации, равновесная плазма обычно является горячей (с температурой больше нескольких тысяч K).

Понятие высокотемпературная плазма употребляется обычно для плазмы термоядерного синтеза, который требует температур в миллионы K.

2.3. Степень ионизации

Для того, чтобы газ перешел в состояние плазмы, его необходимо ионизировать. Степень ионизации пропорциональна числу атомов, отдавших или поглотивших электроны, и больше всего зависит оттемпературы. Даже слабо ионизированный газ, в котором менее 1 % частиц находятся в ионизированном состоянии, может проявлять некоторые типичные свойства плазмы (взаимодействие с внешнимэлектромагнитным полем и высокая электропроводность). Степень ионизации α определяетя как α = ni/(ni + na), где ni - концентрация ионов, а na - концентрация нейтральных атомов. Концентрация свободных электронов в незаряженной плазме ne определяется очевидным соотношением: ne= ni, где - среднее значение заряда ионов плазмы.

Для низкотемпературной плазмы характерна малая степень ионизации (до 1 %). Так как такие плазмы довольно часто употребляются в технологических процессах, их иногда называют технологичными плазмами. Чаще всего их создают при помощи электрических полей, ускоряющих электроны, которые в свою очередь ионизируют атомы. Электрические поля вводятся в газ посредством индуктивной или емкостной связи (см. индуктивно-связанная плазма). Типичные применения низкотемпературной плазмы включают плазменную модификацию свойств поверхности (алмазные пленки, нитридирование металлов, изменение смачиваемости), плазменное травление поверхностей (полупроводниковая промышленность), очистка газов и жидкостей (озонирование воды и сжигание частичек сажи в дизельных двигателях).

Содержание

Одной из важнейших тканей организма является кровь, состоящая из жидкой части, форменных элементов и растворенных в ней веществ. Содержание плазмы в субстанции составляет порядка 60%. Жидкость используют для приготовления сывороток для профилактики и лечения разных заболеваний, идентификации полученных при анализе микроорганизмов, пр. Плазма крови считается более эффективной, чем вакцины и выполняет множество функций: белки и другие вещества в ее составе быстро нейтрализуют патогенные микроорганизмы и продукты их распада, помогая сформировать пассивный иммунитет.

Что такое плазма крови

Субстанция является водой с белками, растворенными солями и прочими органическими компонентами. Если посмотреть на нее под микроскопом, то вы увидите прозрачную (или немного мутную) жидкость с желтоватым оттенком. Она собирается в верхней части кровеносных сосудов после осаждения форменных частиц. Биологическая жидкость – это межклеточное вещество жидкой части крови. У здорового человека уровень белков поддерживается на одном уровне постоянно, а при заболевании органов, которые участвуют в синтезе и катаболизме, концентрация протеинов изменяется.

Как выглядит

Жидкая часть крови – это межклеточная часть кровотока, состоящая из воды, органических и минеральных веществ. Как выглядит плазма в крови? Она может иметь прозрачный цвет или желтый оттенок, что связано с попаданием в жидкость желчного пигмента или других органических компонентов. После приема жирной пищи жидкая основа крови становится слегка мутной и может незначительно менять консистенцию.

Состав

Основную часть биологической жидкости составляет вода (92%). Что входит в состав плазмы, кроме нее:

• белки;
• аминокислоты;
• ферменты;
• глюкозы;
• гормоны;
• жироподобные вещества, жиры (липиды);
• минералы.

В состав плазмы крови человека входит несколько разных видов белков. Основными среди них являются:

1. Фибриноген (глобулин). Отвечает за свертываемость крови, играет важную роль в процессе образования/растворения тромбов. Без фибриногена жидкая субстанция называется сывороткой. При повышении количества данного вещества развиваются сердечно-сосудистые заболевания.
2. Альбумины. Составляет больше половины сухого остатка плазмы. Альбумины вырабатываются печенью и выполняют питательную, транспортную задачи. Сниженный уровень данного типа белка указывает на наличие патологии печени.
3. Глобулины. Менее растворимые вещества, которые тоже продуцируются печенью. Функцию глобулинов – защитная. Кроме того, они регулируют свертываемость крови и осуществляют транспортировку веществ по организму человека. Альфа-глобулины, бета-глобулины, гамма-глобулины отвечают за доставку того или иного компонента. К примеру, первые осуществляют доставку витаминов, гормонов и микроэлементов, другие отвечают за активизацию иммунных процессов, переносят холестерин, железо, пр.

Функции плазмы крови

Белки выполняют сразу несколько важнейших функций в организме, одной из которых является питательная: кровяные клетки захватывают протеины и расщепляют их посредством особых ферментов, благодаря чему вещества лучше усваиваются. Биологическая субстанция контактирует с тканями органов через внесосудистые жидкости, тем самым поддерживая нормальную работу всех систем – гомеостаз. Все функции плазмы обусловлены действием белков:

1. Транспортная. Перенос питательных веществ к тканям и органам осуществляется благодаря данной биологической жидкости. Каждый тип белка отвечает за транспортировку того или иного компонента. Важным также является перенос жирных кислот, лекарственных активных веществ, пр.
2. Стабилизация осмотического кровяного давления. Жидкость поддерживает нормальный объем субстанций в клетках и тканях. Появление отеков объясняется нарушением состава белков, что влечет сбой оттока жидкости.
3. Защитная функция. Свойства плазмы крови неоценимы: она поддерживает работу иммунной системы человека. Жидкость из плазмы крови включает в состав элементы, способные определять и ликвидировать чужеродные вещества. Данные компоненты активизируются при появлении очага воспаления и защищают ткани от разрушения.
4. Свертывание крови. Это одна из ключевых задач плазмы: многие белки принимают участие в процессе сворачивания крови, предупреждая ее значительную потерю. Кроме того, жидкость регулирует противосвертывающую функцию крови, отвечает за предупреждение и растворение образующихся тромбов посредством контроля тромбоцитов. Нормальный уровень этих веществ улучшает регенерацию тканей.
5. Нормализация кислотно-щелочного баланса. Благодаря плазме в организме поддерживает нормальный уровень рН.

Для чего вливают плазму крови

В медицине для переливаний чаще используют не цельную кровь, а ее конкретные компоненты и плазму. Получают ее путем центрифугирования, то есть отделения жидкость части от форменных элементов, после чего кровяные клетки возвращаются человеку, который согласился на донорство. Описанная процедура занимает около 40 минут, при этом ее отличие от стандартного переливания заключается в том, что донор переживает значительно меньшую кровопотерю, поэтому на его здоровье переливание практически не отражается.

Из биологической субстанции получают сыворотку, используемую в терапевтических целях. Данное вещество содержит все антитела, способные противостоять патогенным микроорганизмам, но освобождено от фибриногена. Для получения прозрачной жидкости в термостат помещают стерильную кровь, после образовавшийся сухой остаток отслаивают от стенок пробирки и держат в холоде на протяжении суток. После посредством пастеровской пипетки отстоянную сыворотку переливают в стерильный сосуд.Справочник здоровья (Плазма крови)

Внимание! Информация, представленная в статье, носит ознакомительный характер. Материалы статьи не призывают к самостоятельному лечению. Только квалифицированный врач может поставить диагноз и дать рекомендации по лечению, исходя из индивидуальных особенностей конкретного пациента.

Нашли в тексте ошибку? Выделите её, нажмите Ctrl + Enter и мы всё исправим!