4. Плазма

Определения и обозначения

Плазма — состояние вещества, представляющее собой ионизированный газ со свободными заряженными частицами и нейтральными атомами. Ионизированным называют газ, в котором часть частиц превратилась в ионы и электроны. Плазму называют четвёртым состоянием вещества, потому что наличие зарядов меняет её свойства по сравнению с обычным газом. Например, она проводит ток и заметно взаимодействует с электрическими и магнитными полями.

Ионизация — процесс превращения нейтральных атомов или молекул в ионы. Чтобы электрон покинул атом, ему нужно передать энергию; после этого электрон становится свободным, а атом обычно превращается в положительный ион. Ионизация помогает понять, откуда в газе берутся носители заряда. Именно их появление отличает ионизированный газ от преимущественно нейтрального.

Квазинейтральность плазмы — приблизительное равенство суммарных положительных и отрицательных зарядов в достаточно большом объёме. «Квази» означает «почти»: заряды компенсируются не обязательно в каждой точке, но в целом по объёму. Это понятие нужно, чтобы описывать плазму как почти нейтральную среду, несмотря на наличие в ней заряженных частиц. В небольших областях или у границ плазмы баланс может нарушаться.

Рекомбинация — соединение свободного электрона с положительным ионом с образованием нейтрального атома или молекулы. При этом свободные носители заряда исчезают, а энергия может выделиться, например, в виде излучения. Рекомбинация противоположна ионизации по результату: первая уменьшает число заряженных частиц, вторая увеличивает. Оба процесса нужны для объяснения того, почему плазма сохраняется или постепенно становится менее ионизированной.

Как это устроено

Газ превращается в плазму, когда его частицы получают достаточно энергии, чтобы часть электронов покинула атомы или молекулы. Энергию можно передать нагреванием, электрическим разрядом или излучением. При отрыве электрона остаются положительные ионы, а сами электроны становятся свободными. Так в газе появляются оба вида подвижных зарядов; степень ионизации при этом может быть разной.

Плазма в целом квазинейтральна, потому что положительный заряд ионов обычно компенсируется отрицательным зарядом электронов. Если бы в большом объёме надолго возник значительный избыток одного знака, электрическое поле стало бы перемещать заряды и стремилось бы уменьшить этот избыток. Однако локально заряды могут разделяться, например, у границы плазмы или в электрическом разряде. Поэтому квазинейтральность не означает, что электрических полей нигде нет.

Частицы плазмы взаимодействуют электрическими силами: одноимённые заряды отталкиваются, разноимённые притягиваются. Поэтому движение одной частицы может влиять на движение других, а поведение среды не сводится к набору независимых атомов. Возникающие поля способны изменять распределение зарядов и движение частиц во всём объёме. Именно коллективное взаимодействие помогает отличать плазму от разреженного набора отдельных заряженных частиц.

Плазма хорошо проводит электрический ток, потому что в ней есть свободные электроны и ионы. Электрическое поле действует на заряды и вызывает их направленное движение: электроны движутся к положительному полюсу, а положительные ионы — к отрицательному. Их упорядоченное перемещение и образует электрический ток. В обычном нейтральном газе свободных носителей заряда гораздо меньше, поэтому он обычно проводит ток хуже.

Ионизация и рекомбинация могут происходить одновременно. Если за выбранное время ионизация создаёт больше заряженных частиц, чем рекомбинация удаляет, степень ионизации растёт; если преобладает рекомбинация — падает. При равновесии скорости этих процессов в среднем сравниваются, и состав плазмы перестаёт заметно меняться. Условия поддержания такого состояния зависят от температуры, источника излучения или разряда, плотности частиц и свойств окружающей среды.

Плазма и другие газовые среды

Сравнивайте прежде всего наличие свободных зарядов: именно оно помогает отличить плазму от обычного нейтрального газа. Затем сопоставьте электропроводность и примеры происхождения. Природная и искусственная плазма различаются тем, где и как возникают, а не основным признаком плазменного состояния.

Разбор задач

Задача 1. Сильно нагретый газ содержит свободные электроны и ионы, а суммарный заряд достаточно большого объёма близок к нулю. Нужно определить, можно ли считать его плазмой. Важно проверить оба признака, а не ориентироваться только на высокую температуру. Нагрев сам по себе ещё не является определением плазмы.

1. Установим, есть ли свободные заряженные частицы: по условию электроны и ионы присутствуют.
2. Проверим заряд большого объёма: он близок к нулю, значит, среда квазинейтральна.
3. Сопоставим данные с определением: ионизированный газ с заряженными частицами и приблизительной компенсацией зарядов является плазмой.

Ответ: да, описанный газ является плазмой. Решение опирается на наличие свободных электронов и ионов и квазинейтральность. То, что газ сильно нагрет, может объяснять ионизацию, но само по себе не заменяет эти признаки.

Задача 2. Объясните, почему газ в электрическом разряде проводит ток лучше, чем тот же газ до разряда. Сравниваются два состояния одного газа, поэтому нужно выяснить, что изменил разряд. Нельзя объяснять различие только тем, что через газ уже проходит ток: важно связать проводимость с движением зарядов.

1. До разряда газ преимущественно состоит из нейтральных атомов или молекул, поэтому подвижных носителей заряда мало.
2. Разряд передаёт частицам энергию и вызывает ионизацию, создавая свободные электроны и положительные ионы.
3. Электрическое поле приводит эти заряды в направленное движение, и возникает ток.

Ответ: после разряда в газе становится больше подвижных заряженных частиц, поэтому его электропроводность возрастает. Электроны и положительные ионы перемещаются под действием поля. До ионизации основная часть частиц была нейтральной и не могла переносить заряд таким способом.

Задача 3. За некоторый промежуток времени образовалось N электрон-ионных пар, а рекомбинировало R пар. Требуется найти изменение числа свободных электронов и ионов. Если в задаче заданы конкретные числа, их подставляют вместо N и R. Считаем, что рассматриваются только указанные процессы, без других источников и потерь частиц.

1. Каждый акт ионизации добавляет один электрон и один положительный ион, то есть N частиц каждого вида.
2. Каждая рекомбинация использует один электрон и один ион, поэтому число частиц каждого вида уменьшается на R.
3. Для обоих видов зарядов вычисляем одинаковое изменение: N − R. Если результат положительный, число возросло; если отрицательный — уменьшилось.

Ответ: количество свободных электронов изменилось на N − R, и количество положительных ионов — также на N − R. При N > R число частиц каждого вида увеличилось, при N < R — уменьшилось. Если N = R, их числа не изменились.

Типичные ошибки

• Считать плазму просто очень горячим газом. Так думают, потому что сильный нагрев действительно может вызвать ионизацию, но температура сама по себе не служит определяющим признаком. Проверьте, есть ли свободные электроны и ионы: если их нет, одного нагрева недостаточно, чтобы назвать газ плазмой.

• Полагать, что квазинейтральность означает отсутствие электронов и ионов. Ошибка возникает из-за слова «нейтральность», хотя речь идёт о компенсации зарядов, а не об отсутствии носителей. Для проверки отдельно посчитайте положительный и отрицательный заряды: они могут быть большими, но приблизительно равными.

• Считать, что любая ионизация сразу превращает весь газ в плазму. Ионизация отдельных атомов создаёт заряженные частицы, но степень ионизации может оставаться небольшой. Уточните, образовалась ли среда, свойства которой определяются присутствием зарядов; не делайте вывод только по факту единичного акта ионизации.

• Путать ионизацию с рекомбинацией. Обе реакции связаны с электронами и ионами, поэтому их направления легко перепутать. Проверьте результат: ионизация создаёт свободный электрон и положительный ион, а рекомбинация соединяет их и образует нейтральную частицу.

Связь с другими темами

Для изучения плазмы нужны знания о строении атома: они помогают понять, что происходит при отрыве электрона. Представления об электрическом заряде и токе объясняют движение электронов и ионов и электропроводность среды. Ионизация и рекомбинация пригодятся при изучении газового разряда и проводимости газов. Понятие плазмы также помогает разбираться в устройстве Солнца и звёзд, природе молний и полярных сияний, а также в работе плазменных установок.

Что запомнить

• Плазма — ионизированный газ, содержащий свободные заряженные частицы.
• Ионизация создаёт свободные электроны и положительные ионы.
• Рекомбинация превращает заряженные частицы в нейтральные атомы или молекулы.
• В достаточно большом объёме плазма обычно квазинейтральна.
• Свободные заряженные частицы обеспечивают электропроводность плазмы.
• Плазма встречается в природе и может быть создана искусственно.