§ 123. Плазма

Определения и обозначения

Плазма — ионизованный газ, состоящий из свободных электронов, положительных ионов и, возможно, нейтральных частиц. Её называют четвёртым состоянием вещества, потому что после твёрдого, жидкого и газообразного состояний вещество может перейти в особое состояние с заряженными частицами. Это название помогает отличать плазму от обычного газа, свойства которого определяются главным образом нейтральными частицами.

Ионизация — процесс образования ионов и свободных электронов при отрыве электронов от атомов или молекул. Частица, потерявшая электрон, становится положительным ионом, а электрон продолжает существовать отдельно. Понятие ионизации объясняет, откуда в газе появляются носители заряда и почему он начинает проводить ток.

Квазинейтральность плазмы — приблизительное равенство суммарных положительных и отрицательных зарядов в её объёме. Это не означает отсутствия зарядов: положительные ионы и отрицательные электроны остаются, но обычно компенсируют друг друга. Понятие нужно, чтобы описывать плазму в целом, не смешивая её нейтральность с отсутствием заряженных частиц.

Степень ионизации — доля ионизованных частиц среди всех частиц вещества. Она показывает, насколько газ потерял нейтральные атомы или молекулы из-за ионизации. Поэтому плазма не обязательно полностью ионизована и может содержать заметное количество нейтральных частиц.

Как это устроено

Чтобы атом потерял электрон, ему нужно передать энергию, достаточную для преодоления связи электрона с ядром. При высокой температуре частицы быстро движутся и сталкиваются, а некоторые столкновения вызывают ионизацию. Её также может вызвать электрический разряд, ускоряющий электроны, или излучение, если его энергия поглощается атомом. Так в газе возникают первые заряженные частицы, которые могут участвовать в дальнейшей ионизации.

Ионизация редко происходит одинаково со всеми частицами: часть атомов получает достаточно энергии, а часть — нет. Поэтому одновременно существуют электроны, положительные ионы и нейтральные атомы или молекулы. Их соотношение определяется условиями: например, более сильный нагрев обычно увеличивает долю ионизованных частиц. Эту долю и описывает степень ионизации.

Свободные электроны и ионы имеют противоположные заряды, поэтому в достаточно большом объёме их суммарные заряды обычно близки по величине. Так возникает квазинейтральность: плазма в целом почти не заряжена, хотя каждая частица имеет заряд или является нейтральной. В небольших областях баланс может нарушаться, а отдельные частицы всегда сохраняют свой заряд. Это объясняет, почему электрические процессы в плазме возможны даже при почти нулевом суммарном заряде.

Под действием электрического поля свободные заряженные частицы движутся направленно, поэтому плазма проводит ток. В отличие от нейтральных атомов, электроны и ионы реагируют также на магнитное поле, и их движение может изменяться под его воздействием. Коллективное поведение большого числа заряженных частиц делает плазму чувствительной к электромагнитным полям. Именно поэтому плазменные потоки можно направлять или удерживать с помощью магнитных систем.

В Солнце и звёздах вещество нагрето настолько сильно, что значительная его часть ионизована. Молния возникает, когда сильное электрическое поле и разряд ионизуют воздух, образуя кратковременный проводящий канал. Полярное сияние связано с заряженными частицами, которые возбуждают и ионизуют газы верхней атмосферы. В газоразрядной лампе плазму создаёт электрический разряд, а в установках её получают и поддерживают нагреванием или разрядом при заданных условиях.

Плазма: происхождение, примеры и особенности

Сначала найдите в таблице источник энергии или способ ионизации: он показывает, как образовалась плазма. Затем сравните состав примеров — в каждом случае есть заряженные частицы, но могут оставаться и нейтральные. Последний столбец помогает увидеть, как проявляются свойства плазмы в конкретной ситуации.

Разбор задач

Задача 1. В газоразрядной лампе возникают свободные электроны и положительные ионы. Объясните, почему газ в лампе можно считать плазмой. Здесь нужно проверить не температуру газа, а наличие результата ионизации. Определение плазмы связывает её именно со свободными заряженными частицами.

1. При электрическом разряде часть атомов газа теряет электроны.
2. В газе появляются положительные ионы и свободные электроны.
3. Так как присутствуют подвижные заряженные частицы, газ обладает свойствами плазмы.

Ответ: газ в лампе можно считать плазмой, потому что разряд ионизует его и создаёт свободные электроны и ионы.

Задача 2. При ионизации газа образовалось 500 положительных ионов, а суммарный заряд этих ионов равен 8,0 × 10⁻¹⁷ Кл. Найдите средний заряд одного иона и выразите его приблизительно в элементарных зарядах. Известно общее количество ионов и заряд всей группы, поэтому заряд одной частицы находится делением. Сравнение с элементарным зарядом покажет, является ли ион однозарядным.

1. Записываем связь суммарного заряда с зарядом одного иона: Q = Nq.
2. Выражаем заряд иона: q = Q / N = (8,0 × 10⁻¹⁷ Кл) / 500 = 1,6 × 10⁻¹⁹ Кл.
3. Элементарный заряд равен приблизительно 1,6 × 10⁻¹⁹ Кл, поэтому найденный заряд равен одному элементарному заряду.

Ответ: средний заряд иона равен 1,6 × 10⁻¹⁹ Кл, или приблизительно +1e. Знак положительный, потому что речь идёт о положительных ионах.

Задача 3. В объёме плазмы находятся 2,0 × 10¹⁶ положительных однозарядных ионов и столько же электронов. Найдите суммарный заряд заряженных частиц и объясните, почему плазма проводит ток. Сначала нужно учесть знак каждого носителя, иначе одинаковые по модулю заряды можно ошибочно сложить. После этого следует отличить общий заряд от способности частиц двигаться.

1. Заряд одного положительного иона равен +e, а одного электрона — −e.
2. Суммарный заряд: Q = Ne + N(−e) = 0 Кл, поскольку число частиц обоих видов одинаково.
3. Нулевой общий заряд означает квазинейтральность, но электроны и ионы остаются свободными и подвижными.
4. При приложении электрического поля эти частицы движутся и переносят заряд, поэтому возникает ток.

Ответ: суммарный заряд равен 0 Кл; плазма проводит ток благодаря движению свободных электронов и ионов.

Типичные ошибки

Считать любую плазму полностью ионизованной. Эту ошибку допускают, представляя ионизацию как превращение всех атомов газа в ионы. На деле часть частиц может остаться нейтральной, поэтому проверьте, говорится ли о степени ионизации или о полном удалении электронов. Для определения плазмы достаточно наличия свободных заряженных частиц и её характерных свойств.

Путать квазинейтральность с отсутствием заряженных частиц. Ошибка возникает, если нулевой общий заряд принимают за отсутствие электронов и ионов. Проверьте себя: если в плазме есть частицы обоих знаков, их заряды могут компенсироваться, но сами носители остаются. Именно их движение позволяет проводить ток.

Называть плазмой любой горячий газ. Высокая температура может вызвать ионизацию, но сама по себе не служит определением плазмы. Ошибку можно проверить вопросом: есть ли в газе заметное количество свободных зарядов и проявляются ли свойства плазмы? Если речь идёт только о нагретом нейтральном газе, этого недостаточно.

Считать, что плазма возникает только при очень высокой температуре. Так думают, потому что звёзды — известный пример плазмы, образующейся при нагревании. Однако газ можно ионизовать электрическим разрядом или излучением. Проверяйте способ передачи энергии: важен результат — появление свободных заряженных частиц, а не только температура.

Связь с другими темами

Для понимания плазмы нужны знания о строении атома, электроне и ионе, а также о знаках электрических зарядов. Связь с темой электрического тока в газах помогает объяснить, как свободные носители обеспечивают проводимость. Эти знания пригодятся при изучении газовых разрядов, электрических и магнитных полей, астрофизики и термоядерных установок. В каждой из этих тем важно учитывать движение заряженных частиц и их взаимодействие с полями.

Что запомнить

• Плазма — ионизованный газ со свободными заряженными частицами.
• Ионизация создаёт свободные электроны и ионы.
• В объёме плазмы положительные и отрицательные заряды обычно приблизительно компенсируют друг друга.
• Плазма проводит электрический ток благодаря подвижным заряженным частицам.
• Плазма взаимодействует с электрическими и магнитными полями.
• Плазма встречается в природе и создаётся в технических устройствах.