Образование плазмы

Для того чтобы обычный газ перевести в плазменное состояние, необходимо ионизировать заметную часть молекул или атомов. Процесс ионизации является пороговым. Чтобы атом стал ионизированным, электрон в атоме должен приобрести энергию большую, чем его энергия связи.

Передача энергии, достаточной для разрыва этой связи, возможна при соударении атома или молекулы с другой быстрой частицей - электроном, ионом, атомом или молекулой, при взаимодействии с фотоном, при воздействии достаточно сильного электрического поля.

Своеобразный процесс ионизации - так называемая лоренц-ионизация, возможен при движении быстрого атома в сильном магнитном поле. Дело здесь в том, что в собственной системе отсчета, т.е. в системе координат, относительно которой атом неподвижен, на него, согласно преобразованиям Лоренца, действует электрическое поле E=(v/c)B. Если величина этого поля достаточна, атом может быть ионизирован.

Рассмотрим процессы, которые могут произойти при столкновении двух быстрых (энергичных) молекул АВ и CD:

1) AB + CD—>AB + CD - упругое рассеяние;

2) АВ + CD —>AB* + CD - неупругое рассеяние.

3) Молекула АВ* оказалась возбужденном состоянии (значок *). Может оказаться возбужденной CD* или АВ* и CD* одновременно. Полная кинетическая энергия уменьшилась на энергию возбуждения.

4) Возможны различные виды возбуждений;

3) AB + CD^A+B + CD -диссоциация.

Одна из молекул или обе В + CD —>AB +C+D молекулы распались на атомы;

АВ + CD -^А + В + С + D

4) АВ + CD -^AB⁺ + CD + е -ионизация. Одна из молекул (или обе) АВ + CD —>AB + CD⁺ + e "потеряла" электрон и стала ионом.

АВ + CD -^AB⁺ + ВС⁺ + 2е

В результате этих процессов, как мы видим, появились новые частицы: возбужденные молекулы, отдельные атомы, ионы и электроны. Очевидно, что любая из молекул может столкнуться с любой из этих новых частиц, и все они могут сталкиваться друг с другом. При этом возможны не только "прямые" процессы, перечисленные выше, но и обратные. Например, процессом обратным диссоциации является ассоциация - процесс объединения атомов в молекулу. Процессом, обратным ионизации, является рекомбинация. Сама по себе рекомбинация может происходить по разному, например возможны: тройная рекомбинация, излучательная рекомбинация и диссоциативная рекомбинация. В отличие от ионизации рекомбинация возможна только при наличии "третьего тела", уносящего избыток энергии, равный энергии связи рекомбинирующих частиц.

Таким третьим телом может быть еще один электрон, тогда это тройная рекомбинация, фотон - излучательная рекомбинация, или энергия связи атомов в молекулярном ионе - при рекомбинации молекула разрушается, поэтому этот процесс называется диссоциативной рекомбинацией.

Атомы и молекулы не могут долго оставаться в возбужденном состоянии, поскольку возбужденные состояния имеют вполне определенное конечное время жизни, спустя которое происходит переход в основное состояние, сопровождающийся излучением кванта.

Возбужденные частицы могут столкнуться с другой молекулой, атомом, или ионом, передать им всю энергию возбуждения (или часть ее), или выделить энергию возбуждения в виде кванта (или нескольких квантов) электромагнитного излучения. Значит, появление возбужденных частиц обязательно сопровождается появлением квантов электромагнитного излучения - фотонов. Так как частиц уже много: молекулы, атомы, молекулярные и атомарные ионы (в основном и в возбужденных состояниях), электроны, фотоны, то число возможных взаимодействий становится очень большим и, следовательно, удобнее уже рассматривать виды взаимодействий, их возможность (или невозможность), а при возможности - вероятность того или иного процесса.

Таким образом, плазма - это газ, но газ специфический: в нем могут присутствовать заряженные частицы, очень сильно различающиеся по массе (в тысячи и десятки тысяч раз). Например, полностью ионизированная водородная плазма в качестве положительной компоненты содержит ионы водорода, т.е. "голые" протоны, а отрицательно заряженной компонентой, нейтрализующей положительный заряд протонов, являются электроны.

Средние энергии различных типов частиц, составляющих плазму, могут отличаться одна от другой. В таком случае плазму нельзя охарактеризовать одним значением температуры Т и различают электронную температуру T_e, ионную температуру T_i, (или ионные температуры, если в плазме имеются ионы нескольких сортов) и температуру нейтральных атомов T_a (нейтральной компоненты). Подобная плазма называется неизотермической, в то время как плазма, для которой температуры всех компонент равны, называется изотермической.

Низкотемпературной принято считать плазму с а высокотемпературной — плазму с и более. Это условное разделение связано как с возможностью для плазмы достигать чрезвычайно больших температур, так и с особой важностью высокотемпературной плазмой в связи с проблемой осуществления управляемого термоядерного синтеза (УТС).

В лабораторных условиях и промышленных применениях плазмы образуется в электрическом разряде в газах (дуговом разряде, искровом разряде, тлеющем разряде и пр.), в процессах горения и взрыва, используется в плазменных ускорителях, магнитогидродинамических генераторах и во многих др. устройствах.

Высокотемпературную плазму получают в установках для исследования возможных путей осуществления УТС. Многими характерными для плазмы свойствами обладают совокупности электронов проводимости и дырок в полупроводниках и электронов проводимости в металлах. Которые поэтому называются плазмой твёрдых тел.

Возможные значения плотности плазмы расположены в очень широком диапазоне: от n ~ 10^-6 см^-3 в межгалактическом пространстве и n ~ 10 см^-3 в солнечном ветре до n ~ 10²² см^-3 для твёрдых тел и ещё больших значений в центральных областях звёзд.

Дата добавления: 2014-01-20