Плазма Плазменная лампа , иллюстрирующая некоторые из наиболее сложных плазменных явлений, включая филаментацию. Свечение плазмы обусловлено переходом электронов из высокоэнергетического состояния в состояние с низкой энергией после рекомбинации с ионами . Этот процесс приводит к излучению со спектром , соответствующим возбуждаемому газу.

Слово «ионизированный» означает, что от электронных оболочек значительной части атомов или молекул отделён по крайней мере один электрон . Слово «квазинейтральный» означает, что, несмотря на наличие свободных зарядов (электронов и ионов), суммарный электрический заряд плазмы приблизительно равен нулю. Присутствие свободных электрических зарядов делает плазму проводящей средой, что обуславливает её заметно большее (по сравнению с другими агрегатными состояниями вещества) взаимодействие с магнитным и электрическим полями . Четвёртое состояние вещества было открыто У. Круксом в 1879 году и названо «плазмой» И. Ленгмюром в 1928 году , возможно из-за ассоциации с плазмой крови . Ленгмюр писал:

Исключая пространство около электродов, где обнаруживается небольшое количество электронов, ионизированный газ содержит ионы и электроны практически в одинаковых количествах, в результате чего суммарный заряд системы очень мал. Мы используем термин «плазма», чтобы описать эту в целом электрически нейтральную область, состоящую из ионов и электронов.

Формы плазмы

По сегодняшним представлениям, фазовым состоянием большей части вещества (по массе ок. 99,9 %) во Вселенной является плазма. Все звёзды состоят из плазмы, и даже пространство между ними заполнено плазмой, хотя и очень разреженной (см. межзвездное пространство). К примеру, планета Юпитер сосредоточила в себе практически все вещество Солнечной системы , находящееся в «неплазменном» состоянии (жидком , твердом и газообразном). При этом масса Юпитера составляет всего лишь около 0,1 % массы Солнечной системы, а объём - и того меньше: всего 10 −15 %. При этом мельчайшие частицы пыли, заполняющие космическое пространство и несущие на себе определенный электрический заряд, в совокупности могут быть рассмотрены как плазма, состоящая из сверхтяжелых заряженных ионов (см. пылевая плазма).

Свойства и параметры плазмы

Определение плазмы

Плазма - частично или полностью ионизированный газ, в котором плотности положительных и отрицательных зарядов практически одинаковы. Не всякую систему заряженных частиц можно назвать плазмой. 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 её поверхности, которыми можно пренебречь. Если это условие соблюдено, плазму можно считать квазинейтральной. Математически оно выглядит так:

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.

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.

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 от температуры . Даже слабо ионизированный газ, в котором менее 1 % частиц находятся в ионизированном состоянии, может проявлять некоторые типичные свойства плазмы (взаимодействие с внешним электромагнитным полем и высокая электропроводность). Степень ионизации α определяется как α = n i /(n i + n a), где n i - концентрация ионов, а n a - концентрация нейтральных атомов. Концентрация свободных электронов в незаряженной плазме n e определяется очевидным соотношением: n e =<Z > n i , где <Z > - 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), очистку газов и жидкостей (озонирование воды и сжигание частичек сажи в дизельных двигателях).

Горячая плазма почти всегда полностью ионизирована (степень ионизации ~100 %). Обычно именно она понимается под «четвертым агрегатным состоянием вещества ». Примером может служить Солнце .

Плотность

Помимо температуры, которая имеет фундаментальную важность для самого существования плазмы, вторым наиболее важным свойством плазмы является плотность. Словосочетание плотность плазмы обычно обозначает плотность электронов , то есть число свободных электронов в единице объёма (строго говоря, здесь, плотностью называют концентрацию - не массу единицы объёма, а число частиц в единице объёма). В квазинейтральной плазме плотность ионов связана с ней посредством среднего зарядового числа ионов : . Следующей важной величиной является плотность нейтральных атомов . В горячей плазме мала, но может тем не менее быть важной для физики процессов в плазме. При рассмотрении процессов в плотной, неидеальной плазме характерным параметром плотности становится , который определяется как отношение среднего межчастичного расстояния к радиусу Бора .

Квазинейтральность

Так как плазма является очень хорошим проводником, электрические свойства имеют важное значение. Потенциалом плазмы или потенциалом пространства называют среднее значение электрического потенциала в данной точке пространства. В случае если в плазму внесено какое-либо тело, его потенциал в общем случае будет меньше потенциала плазмы вследствие возникновения дебаевского слоя. Такой потенциал называют плавающим потенциалом . По причине хорошей электрической проводимости плазма стремится экранировать все электрические поля. Это приводит к явлению квазинейтральности - плотность отрицательных зарядов с хорошей точностью равна плотности положительных зарядов (). В силу хорошей электрической проводимости плазмы разделение положительных и отрицательных зарядов невозможно на расстояниях больших дебаевской длины и временах больших периода плазменных колебаний.

Примером неквазинейтральной плазмы является пучок электронов. Однако плотность не-нейтральных плазм должна быть очень мала, иначе они быстро распадутся за счёт кулоновского отталкивания.

Отличия от газообразного состояния

Плазму часто называют четвертым состоянием вещества . Она отличается от трёх менее энергетичных агрегатных состояний материи, хотя и похожа на газовую фазу тем, что не имеет определённой формы или объёма. До сих пор идёт обсуждение того, является ли плазма отдельным агрегатным состоянием, или же просто горячим газом. Большинство физиков считает, что плазма является чем-то большим, чем газ по причине следующих различий:

Свойство	Газ	Плазма
Электрическая проводимость	Крайне мала К примеру, воздух является превосходным изолятором до тех пор, пока не переходит в плазменное состояние под действием внешнего электрического поля напряженностью в 30 киловольт на сантиметр .	Очень высока Несмотря на то, что при протекании тока возникает хотя и малое, но тем не менее конечное падение потенциала, во многих случаях электрическое поле в плазме можно считать равным нулю. Градиенты плотности, связанные с наличием электрического поля, могут быть выражены через распределение Больцмана. Возможность проводить токи делает плазму сильно подверженной влиянию магнитного поля, что приводит к возникновению таких явлений как филаментирование, появление слоев и струй. Типичным является наличие коллективных эффектов, так как электрические и магнитные силы являются дальнодействующими и гораздо сильнее, чем гравитационные.
Число сортов частиц	Один Газы состоят из подобных друг другу частиц, которые находятся в тепловом движении, а также движутся под действием гравитации , а друг с другом взаимодействуют только на сравнительно небольших расстояниях.	Два, или три, или более Электроны, ионы и нейтральные частицы различаются знаком эл. заряда и могут вести себя независимо друг от друга - иметь разные скорости и даже температуры, что служит причиной появления новых явлений, например волн и неустойчивостей.
Распределение по скоростям	Максвелловское Столкновения частиц друг с другом приводит к максвелловскому распределению скоростей , согласно которому очень малая часть молекул газа имеют относительно большие скорости движения.	Может быть немаксвелловское Электрические поля имеют другое влияние на скорости частиц чем столкновения, которые всегда ведут к максвеллизации распределения по скоростям. Зависимость сечения кулоновских столкновений от скорости может усиливать это различие, приводя к таким эффектам, как двухтемпературные распределения и убегающие электроны.
Тип взаимодействий	Бинарные Как правило двухчастичные столкновения, трёхчастичные крайне редки.	Коллективные Каждая частица взаимодействует сразу со многими. Эти коллективные взаимодействия имеют гораздо большее влияние чем двухчастичные.

Сложные плазменные явления

Хотя основные уравнения, описывающие состояния плазмы, относительно просты, в некоторых ситуациях они не могут адекватно отражать поведение реальной плазмы: возникновение таких эффектов - типичное свойство сложных систем , если использовать для их описания простые модели . Наиболее сильное различие между реальным состоянием плазмы и её математическим описанием наблюдается в так называемых пограничных зонах, где плазма переходит из одного физического состояния в другое (например, из состояния с низкой степенью ионизации в высокоионизационное). Здесь плазма не может быть описана с использованием простых гладких математических функций или с применением вероятностного подхода. Такие эффекты как спонтанное изменение формы плазмы являются следствием сложности взаимодействия заряженных частиц , из которых состоит плазма. Подобные явления интересны тем, что проявляются резко и не являются устойчивыми. Многие из них были изначально изучены в лабораториях, а затем были обнаружены во Вселенной.

Математическое описание

Плазму можно описывать на различных уровнях детализации. Обычно плазма описывается отдельно от электромагнитных полей. Совместное описание проводящей жидкости и электромагнитных полей даётся в теории магнитогидродинамических явлений или МГД теории.

Флюидная (жидкостная) модель

Во флюидной модели электроны описываются в терминах плотности, температуры и средней скорости. В основе модели лежат: уравнение баланса для плотности, уравнение сохранения импульса, уравнение баланса энергии электронов. В двухжидкостной модели таким же образом рассматриваются ионы.

Кинетическое описание

Иногда жидкостная модель оказывается недостаточной для описания плазмы. Более подробное описание даёт кинетическая модель, в которой плазма описывается в терминах функции распределения электронов по координатам и импульсам. В основе модели лежит уравнение Больцмана . Уравнение Больцмана неприменимо для описания плазмы заряженных частиц с кулоновским взаимодействием вследствие дальнодействующего характера кулоновских сил. Поэтому для описания плазмы с кулоновским взаимодействием используется уравнение Власова с самосогласованным электромагнитным полем, созданным заряженными частицами плазмы. Кинетическое описание необходимо применять в случае отсутствия термодинамического равновесия либо в случае присутствия сильных неоднородностей плазмы.

Particle-In-Cell (частица в ячейке)

Модели Particle-In-Cell являются более подробными, чем кинетические. Они включают в себя кинетическую информацию путём слежения за траекториями большого числа отдельных частиц. Плотности электрического заряда и тока определяются путём суммирования числа частиц в ячейках, которые малы по сравнению с рассматриваемой задачей, но, тем не менее, содержат большое число частиц. Электрическое и магнитное поля находятся из плотностей зарядов и токов на границах ячеек.

Базовые характеристики плазмы

Все величины даны в Гауссовых СГС единицах за исключением температуры, которая дана в eV и массы ионов, которая дана в единицах массы протона ; Z - зарядовое число; k - постоянная Больцмана; К - длина волны; γ - адиабатический индекс; ln Λ - Кулоновский логарифм.

Частоты

• Ларморова частота электрона , угловая частота кругового движения электрона в плоскости перпендикулярной магнитному полю:

• Ларморова частота иона , угловая частота кругового движения иона в плоскости перпендикулярной магнитному полю:

• плазменная частота (частота плазменных колебаний), частота с которой электроны колеблются около положения равновесия, будучи смещенными относительно ионов:

• ионная плазменная частота:

• частота столкновений электронов

• частота столкновений ионов

Длины

• Де-Бройлева длина волны электрона , длина волны электрона в квантовой механике:

• минимальное расстояние сближения в классическом случае , минимальное расстояние на которое могут сблизиться две заряженных частицы при лобовом столкновении и начальной скорости, соответствующей температуре частиц, в пренебрежении квантово-механическими эффектами:

• гиромагнитный радиус электрона , радиус кругового движения электрона в плоскости перпендикулярной магнитному полю:

• гиромагнитный радиус иона , радиус кругового движения иона в плоскости перпендикулярной магнитному полю:

• размер скин-слоя плазмы , расстояние на которое электромагнитные волны могут проникать в плазму:

• Радиус Дебая (длина Дебая) , расстояние на котором электрические поля экранируются за счёт перераспределения электронов:

Скорости

• тепловая скорость электрона , формула для оценки скорости электронов при распределении Максвелла . Средняя скорость, наиболее вероятная скорость и среднеквадратичная скорость отличаются от этого выражения лишь множителями порядка единицы:

• тепловая скорость иона , формула для оценки скорости ионов при распределении Максвелла :

• скорость ионного звука , скорость продольных ионно-звуковых волн:

• Альфвеновская скорость , скорость Альфвеновских волн :

Безразмерные величины

• квадратный корень из отношения масс электрона и протона :

• Число частиц в сфере Дебая:

• Отношение Альфвеновской скорости к скорости света

• отношение плазменной и ларморовской частот для электрона

• отношение плазменной и ларморовской частот для иона

• отношение тепловой и магнитной энергий

• отношение магнитной энергии к энергии покоя ионов

Прочее

• Бомовский коэффициент диффузии

• Поперечное сопротивление Спитцера

Древние греки подарили нам, кроме великолепных произведений искусства, прекрасное по своей наивной простоте представление о строении мира. Они считали, что в основе всех вещей лежат четыре «начала», или «стихии»: земля, вода, воздух и огонь. Уже во времена Ломоносова стало известно, что первые три из них - всего лишь различные состояния вещества, которые называются соответственно твердым, жидким и газообразным. А огонь? Долгое время ученые не выделяли его в самостоятельную форму существования материи. И лишь в последние десятилетия удалось проникнуть в тайны огненного состояния вещества, получившего название плазмы.

ОТ ТРЕХ СОСТОЯНИЙ - К ЧЕТВЕРТОМУ

Чтобы понять, чем отличается четвертое состояние от всех остальных, обратимся к «кирпичикам» любого вещества - . Атом каждого вещества состоит из положительно заряженного ядра и оболочки из отрицательно заряженных электронов, движущихся по различным орбитам. Разрушить эту оболочку не просто: силы электрического взаимодействия удерживают электроны на их орбитах.

…В солнечный весенний день можно наблюдать, как тает кусок льда на мостовой. Вот лед потемнел, разрыхлился, под ним появилась вода. Затем над водой закурились тоненькие струйки тумана, а спустя небольшое время исчезла и вода: она . В обоих этих превращениях электронная оболочка атомов, входящих в воды, принимает мало участия. Солнечные лучи, нагревая лед, сначала сообщают его молекулам тепловую энергию, достаточную для того, чтобы разрушить льда. Затем тепловая энергия, переданная молекулам воды, разрывает связи между ними - в результате возникает пар. Поместим его в сосуд и станем нагревать.

Придется запастись терпением. Прибор показывает пятьсот, тысячу, две тысячи градусов. Мы все еще ничего не замечаем. Но вот при температуре в несколько тысяч градусов в сосуде возникает слабое свечение, которое становится все более ярким по мере дальнейшего повышения температуры.

Физик скажет, что теперь пары воды перешли в плазменное состояние. А мы и не заметили этого. Но что не видно человеческому глазу, не составляет тайны для чувствительных физических приборов. Они и поведают нам о том, что им удалось «увидеть».

ПЛАЗМА РОЖДАЕТСЯ

На что расходуется тепловая энергия, подводимая к сосуду с газом? На увеличение скорости движения молекул. Они все быстрее носятся в сосуде, чаще и энергичнее сталкиваются друг с другом. При этом электронные оболочки их атомов «сотрясаются» сильнее, пока от них не начинают отрываться внешние, наиболее слабо связанные с ядром электроны. Атомы приобретают положительный заряд и становятся ионами.

Прибор извещает нас: началась ионизация - в газе появились свободные электроны и ионизированные атомы. Температура повышается, и оболочки атомов «трещат по швам». Внутренние электроны стараются выбраться из атома. Но если у самого «выхода» им не поможет новое столкновение, ядро втянет их обратно. При возвращении электроны отдают свою энергию в виде электромагнитного излучения, которое регистрируется прибором. Да мы и сами видим: газ начал светиться.

При дальнейшем повышении температуры свечение в сосуде постепенно становится ослепительно ярким, нестерпимым для глаз. Плазма достигает, если можно так выразиться, идеального состояния: в сосуде остались только свободные электроны и совершенно оголенные ядра атомов. Воображаемый термометр, если его поместить в сосуд, показал бы при этом температуру в несколько миллионов градусов.

ВСЕ НЕ ТАК ПРОСТО

Мы не оговорились. Воображаемым является не только термометр, но и сам опыт. Нагреть газ до такой температуры совсем не так просто, как, например, вскипятить воду в чайнике.

Первая лазейка, через которую ускользает подводимая к газу энергия,- это стенки сосуда, которые нагреваются. Даже если сделать их из теплоизоляционного материала, то и в этом случае температуру можно повышать лишь до того момента, пока газ не начнет светиться. Теперь энергия ускользает из газа в виде электромагнитного излучения. Не помогают при этом и зеркальные стенки.

Очевидно, что энергию в газ надо подводить не тепловым путем. Каким же? Наилучшим способом получения плазмы является электрический разряд. В чем его преимущества? Во-первых, все процессы протекают намного быстрее, чем при химической реакции горения. К тому же длительность разряда можно ограничить миллионными долями секунды, а мощность довести до миллионов киловатт. Это важно: разряд позволяет подводить энергию в газ быстрее, чем она ускользает из газа.

В природе и в быту мы встречаем много примеров электрического разряда в газах. Это молния и вольтова дуга, свечение проводов высокого напряжения и искры в электрической цепи. Но почему электрический ток вообще идет через газы, которые, как известно, являются изоляторами? Вместе с этим вопросом возникает много других, столь же интересных.

ИОНЫ В КОМНАТЕ. ХОЛОДНАЯ ПЛАЗМА

Оказывается, газ является изолятором, так сказать, только теоретически. Практически же он, хоть и слабо, всегда проводит электрический ток. Кое-кто, вероятно, и не подозревает, что в воздухе, которым мы дышим, находятся ионы. Те самые ионы, которые, казалось бы, могут образовываться лишь при очень высоких температурах. Их появление вызвано действием космических лучей, а также радиоактивных веществ, находящихся в земной коре. Правда, этих ионов очень мало, но они и есть та «дорожка», по которой ток входит в газ.

Однако гость в чужом доме может вести себя по-разному. Если напряжение на Электродах невелико, то разряд можно обнаружить лишь при помощи чувствительных приборов - идет слабенький ток, и атомы газа в большинстве остаются нейтральными. Повысим напряжение. Ток увеличится. Все больше атомов газа вовлекается в процесс ионизации, пока, наконец, не возникает лавинный разряд, а с ним и плазменное состояние вещества.

Мы уже знаем, что для того, чтобы получить плазму, надо разогреть газ до высокой температуры. Но дотроньтесь до лампы дневного света. Не бойтесь обжечься: стенки ее совершенно холодные. Между тем ртутный пар в ней светится, а это признак плазмы. Как же так? Дело в том, что в одной и той же плазме могут одновременно существовать несколько разных температур.

Чтобы понять это, вспомним определение температуры - не житейское, а научное. Температура есть мера средней энергии хаотического движения частиц вещества. Чем больше эта энергия, тем выше температура. В ионизируемом газе по меньшей мере три сорта частиц: электроны, ионы и нейтральные атомы. А если имеется смесь газов, то число различных сортов частиц еще больше. Когда газ нагревают, то столкновения между его частицами в конце концов, приводят к выравниванию энергий движения всех видов частиц в нем, то есть к выравниванию температуры. В плазме устанавливается какая-то средняя температура. Такая плазма называется изотермической.

Другое дело - ионизация газа электрическим разрядом. Здесь выравнивания энергий не происходит. Когда через газ проходит ток, то электроны, налетая на нейтральные атомы, почти не изменяют энергию их движения, так как очень легки по сравнению с атомами. Зато электроны могут ионизировать и возбуждать атомы, и тогда возникает свечение. Иными словами, средняя энергия электронов выше, чем средняя энергия ионов, а значит, и температура электронов выше, чем у ионов.

Это неизотермическая плазма. Она существует в лампах дневного света, в которых электронная температура может доходить до десятков тысяч градусов - газ светится. Ионная же температура не превышает комнатной - стенки лампы холодные. Выровнять эти температуры можно лишь при очень высоком давлении.

Продолжение следует.

В первых трех состояниях - твердом, жидком и газообразном - электрические и магнитные силы глубоко запрятаны в недрах вещества. Они целиком уходят на то, чтобы связывать ядра и электроны в , атомы в и в кристаллы. Вещество в этих состояниях оказывается в целом электрически нейтральным. Другое дело - плазма. Электрические и магнитные силы здесь выступают на первый план и определяют все ее основные свойства. Плазма соединяет в себе свойства трех состояний: твердого (), жидкого (электролит) и газообразного. От металла она берет высокую электропроводность, от электролита - ионную проводимость, от газа - большую подвижность частиц. И все эти свойства переплетаются так сложно, что плазма оказывается очень трудной для изучения.

И все-таки ученым удается с помощью тонких физических приборов заглянуть в ослепительно светящееся газовое облако. Их интересует количественный и качественный состав плазмы, взаимодействие ее частей друг с другом.

До раскаленной плазмы руками не дотронешься. Ее ощупывают с помощью очень чувствительных «пальцев» - электродов, вводимых в плазму. Эти электроды называются зондами. Измеряя силу тока, идущего на зонд, при разных напряжениях, можно узнать степень концентрации электронов и ионов, их температуру и ряд других характеристик плазмы.(К слову интересно, что даже бумага А4 при определенных с ней манипуляций также может перейти в плазму)

Состав плазмы узнают, беря пробы плазменного вещества. Специальными электродами вытягивают небольшие порции ионов, которые затем сортируют по массам с помощью остроумного физического прибора - масс-спектрометра. Этот анализ дает возможность узнать также знак и степень ионизации, то есть отрицательно или положительно, однократно или многократно ионизированы атомы.

Плазму ощупывают также радиоволнами. В отличие от обычного газа плазма их сильно отражает, подчас сильнее, чем металлы. Это связано с наличием в плазме свободных электрических зарядов. До недавнего времени такое радиоощупывание было единственным источником сведений об ионосфере - замечательном плазменном «зеркале», которое природа поместила высоко над Землей. Сегодня ионосфера исследуется также с помощью искусственных спутников и высотных ракет, которые берут пробы ионосферного вещества и «на месте» производят его анализ.

Плазма - очень неустойчивое состояние вещества. Обеспечить согласованное движение всех ее составных частей - весьма нелегкое дело. Часто кажется, что это достигнуто, плазма усмирена, но внезапно по каким-то не всегда известным причинам в ней образуются сгущения и разрежения, возникают сильные колебания, и ее спокойное поведение резко нарушается.

Иногда же «игра» электрических и магнитных сил в плазме сама приходит на помощь ученым. Эти силы могут образовывать из плазмы тела компактной и правильной формы, названные плазмоидами. Форма плазмоидов может быть очень разнообразной. Здесь и кольца, и трубки, и сдвоенные кольца, и перекрученные шнуры. Плазмоиды довольно устойчивы. Например, если «выстрелить» навстречу друг другу двумя плазмоидами, то они при столкновении отлетят друг от друга, как бильярдные шары.

Изучение плазмоидов позволяет лучше понять процессы, происходящие с плазмой в гигантских масштабах вселенной. Один из видов плазмоидов - шнур - играет очень важную роль в попытках ученых создать управляемую . Плазмояды, видимо, будут использованы также в плазменной химии и металлургии.

НА ЗЕМЛЕ И В КОСМОСЕ

На Земле плазма - довольно редкое состояние вещества. Но уже на небольших высотах плазменное состояние начинает преобладать. Мощное ультрафиолетовое, корпускулярное и рентгеновское излучение ионизирует воздух в верхних слоях атмосферы и вызывает образование плазменных «облаков» в ионосфере. Верхние слои атмосферы - это защитная броня Земли, предохраняющая все живое от губительного действия солнечных излучений. Ионосфера - отличное зеркало для радиоволн (за исключением ультракоротких), позволяющее осуществлять земную радиосвязь на далекие расстояния.

Верхние слои ионосферы не исчезают и ночью: слишком разрежена в них плазма, чтобы возникшие днем ионы и электроны успели воссоединиться. Чем дальше от Земли, тем меньше в атмосфере нейтральных атомов, а на расстоянии в полтораста миллионов километров находится ближайший к нам колоссальный сгусток плазмы - .

Из него постоянно вылетают фонтаны плазмы - подчас на высоту в миллионы километров, - так называемые протуберанцы. По поверхности перемещаются вихри несколько менее горячей плазмы - солнечные пятна. Температура на поверхности Солнца около 5 500°, пятен - на 1 000° ниже. На глубине 70 тысяч километров - уже 400 000°, а еще дальше температура плазмы достигает более 10 миллионов градусов.

В этих условиях ядра атомов солнечного вещества совершенно оголены. Здесь при гигантских давлениях все время идут термоядерные реакции слияния ядер и превращения их в ядра . Выделяющаяся при этом энергия восполняет ту, что Солнце так щедро излучает в мировое пространство, «отапливая» и освещая всю свою систему планет.

Звезды во вселенной находятся на разных стадиях развития. Одни умирают, медленно превращаясь в холодный несветящийся газ, другие взрываются, выбрасывая в пространство огромные облака плазмы, которые спустя миллионы и миллиарды лет достигают в виде космических лучей других звездных миров. Есть области, где силы притяжения сгущают газовые облака, в них растут давление и температура, пока не создаются благоприятные условия для появления плазмы и возбуждения термоядерных реакций, - и тогда вспыхивают новые звезды. Плазма в природе находится в непрерывном круговороте.

НАСТОЯЩЕЕ И БУДУЩЕЕ ПЛАЗМЫ

Ученые стоят на пороге овладения плазмой. На заре человечества величайшим достижением было умение получать и поддерживать огонь. А сегодня понадобилось создать и сохранить на длительное время другую, гораздо более «высокоорганизованную» плазму.

Мы уже говорили о применении плазмы в хозяйстве: вольтова дуга, лампы дневного света, газотроны и тиратроны. Но здесь «работает» сравнительно негорячая плазма. В вольтовой дуге, например, ионная температура составляет около четырех тысяч градусов. Однако сейчас появляются сверхжаропрочные сплавы, которые выдерживают температуру до 10-15 тысяч градусов. Чтобы обрабатывать их, нужна плазма с более высокой ионной температурой. Применение ее сулит немалые перспективы и для химической промышленности, так как многие реакции протекают тем быстрее, чем выше температура.

До какой же температуры пока удалось разогреть плазму? До десятков миллионов градусов. И это не предел. Исследователи уже находятся на подступах к управляемой термоядерной реакции синтеза, в ходе которой выделяются огромные количества энергии. Представьте себе искусственное солнце. И не одно, а несколько. Ведь они изменят климат нашей планеты, навсегда снимут с человечества заботу о топливе.

Вот какие применения ожидают плазму. А пока ведутся исследования. Большие коллективы ученых напряженно работают, приближая тот день, когда четвертое состояние вещества станет для нас таким же обычным, как и три остальных.

Возвращение чародея Келер Владимир Романович

Плазменное - четвертое состояние вещества

Возьмем металлическое тело, скажем пулю, и, положив ее в жароупорный тигелек, поставим тигелек в электропечь. Пройдет немного времени, и пуля расплавится, превратится в жидкость, вещество перейдет во второе состояние.

Но будем повышать нагрев. Если возможности печи позволят, металл в конце концов закипит и испарится. Вещество перейдет в свое третье состояние.

Не так еще давно даже самые осведомленные физики на этот вопрос отвечали, что ничего особенного не произойдет. Газ просто нагреется сильнее, вот и все. Его молекулы приобретут высокую кинетическую энергию и станут еще быстрее метаться между стенками сосуда.

В таком ответе не было ничего удивительного. Люди не умели тогда получать особенно высоких температур и не могли знать, что будет с веществом, допустим, при 6000 градусов. В обычных топливных печах максимальная температура достигает только 2000, а в электрических - 3000 градусов.

Теперь положение изменилось. Даже в промышленных условиях добиваются иногда температур порядка 12 000 градусов. А физики по «добыванию» высоких температур превзошли пределы самых невероятных фантазий.

В Институте атомной энергии научным сотрудником М. С. Иоффе были произведены эксперименты, в которых удалось получить температуру для дейтерия 60 миллионов градусов - в три раза более высокую, чем в центре Солнца (по современным представлениям, температура в центре Солнца несколько менее 20 миллионов градусов). Академик Евгений Константинович Завойский добился еще более эффектных результатов: в своих опытах ему вместе с сотрудниками удалось нагреть потоки электронов до температуры свыше 100 миллионов градусов.

Сейчас уже известно точно: выше 6000 градусов газы, даже что ни на есть устойчивые, как бы испаряются.

Что же с ними происходит?

Когда при бешеных скоростях, вызванных сильным нагревом, атомы вещества сталкиваются один с другим, из них выбиваются электроны. Утрачивая часть электронов, атомы превращаются в положительные ионы, то есть в «осколки», заряженные положительным электричеством. Электроны, как известно, заряжены отрицательно. В результате получается смесь из отрицательных электронов, положительных ионов и не успевших «испариться» нейтральных атомов. Так как положительное электричество в такой смеси равно отрицательному электричеству, смесь в целом остается нейтральной. Но электроны сталкиваются между собой и с ионами и заставляют «испаренный газ» светиться (что бывает, впрочем, не всегда, а лишь при достаточном количестве частиц; если разрежение высокое, вещество может стать совсем невидимым).

Облако материи в таком особо возбужденном состоянии и называется плазмой. Открыл ее в 1920 году выдающийся индийский астрофизик Мег Над Сага.

Что плазма уже не газ, а качественно совсем иное, новое состояние вещества, ученые убедились довольно быстро.

Каждое состояние вещества имеет свои особые свойства, не похожие на свойства остальных состояний. Имеет их и плазма.

Свойства плазмы резко отличаются от свойств газа. Газ, например, - электрический изолятор. Плазма, хотя она в целом и нейтральна, как газ, наоборот, прекрасно проводит электрический ток. В отличие от металлов, которые проводят ток тем хуже, чем больше они нагреты, электропроводность плазмы растет с увеличением температуры.

Теория говорит, что при очень высокой температуре плазма практически должна обладать свойством сверхпроводимости, то есть ее электрическое сопротивление должно быть близко к нулю. Кроме того, плазма - идеальный проводник тепла, она - сверхтеплопроводящий материал.

В плазме очень много тепла, но есть и то, чего нет ни в одном теплоносителе, - порядок . Сильное магнитное поле, в котором добывается плазма, вносит в ее движение порядок, причем необыкновенный: винтовой, или иначе - гиротропный.

Острый интерес к плазме в наши дни вызван многими причинами. Первая, конечно, заключается в том, что, как оказалось, плазма гораздо больше распространена в природе, чем это можно было бы предполагать. Почти вся Вселенная состоит из плазмы. Из плазмы состоят Солнце, горячие звезды, туманности, межзвездный газ.

Выяснилось, что с плазмой люди имели дело задолго до ее открытия.

Вода начинает испаряться еще до того, как достигает температуры своего кипения. И плазма образуется не обязательно при температуре 6 и выше тысяч градусов. Она возникает, например, под воздействием сильного облучения газа рентгеновыми или ультрафиолетовыми лучами. Поместив газ в мощное электрическое поле, его также можно привести в состояние ионизации, частично обратить в плазму.

Слабо горит свеча. И все же ее пламя хоть в малой степени, но ионизировано. Это еще не настоящая плазма, но уже намек на нее. А вот ослепительный свет электрической дуга и мягкое свечение неоновой трубки прямо исходят от плазмы. Близко к настоящей плазме пламя сварочной горелки и форсунки дизеля, пламя в цилиндре двигателя внутреннего сгорания.

Кратковременное плазменное состояние возникает в стволе орудия при выстреле. Вообще при всяком взрыве большой массы взрывчатого вещества происходит образование плазмы.

Плазма образует канал электрической искры и молнии. Ионизированные слои в атмосфере Земли состоят из плазмы. Полярное сияние есть не что иное, как свечение ионизированного газа, то есть тоже плазмы.

Юрий Гагарин совершил свой подвиг буквально в объятиях плазмы. Когда космический корабль «Восток», взметнувшись с площадки космодрома, с грохотом пробивал плотные слои атмосферы, сопла ракетного двигателя извергали плазму.

Плазма широко распространена повсюду, но, пожалуй, еще сильнее привлекает она внимание ученых своими возможностями для техники будущего.

Плазма - самое перспективное состояние вещества для преобразования тепла непосредственно в электричество. По-видимому, в безмашинных электростанциях будущего в движении будет находиться только плазма. Проходя между полюсами сверхмощных магнитов, потоки плазмы будут превращать энергию своего движения в энергию электрического тока.

Не за горами создание и космических кораблей с плазменными двигателями. С такими двигателями, выбрасывающими реактивную плазменную струю со скоростями в десятки или даже сотни тысяч километров в секунду, можно отправиться на исследование самых далеких планет Солнечной системы.

Весной 1965 года советские ученые провели первые успешные испытания плазменных двигателей в космических условиях - на борту космического корабля «Зонд-2».

Велики перспективы плазмы и в области управляемых термоядерных реакций. Академик Л. Н. Арцимович считает даже, что это важнейшая задача плазмы. Он писал:

«Физика плазмы не относится к магистральным направлениям науки, но тем не менее за последнее десятилетие она разрабатывается весьма интенсивно, так как с ней связаны надежды на решение задач исключительного перспективного значения. Первое место среди них занимает общеизвестная проблема управляемого термоядерного синтеза, решение которой должно полностью устранить угрозу энергетического голода на нашей планете».

Из книги Медицинская физика автора Подколзина Вера Александровна

26. Стационарное состояние Принцип производства энтропии. Организм как открытая системаВыше была описана направленность термодинамических процессов в изолированной системе. Однако реальные процессы и состояния в природе и технике являются неравновесными, а многие

Из книги Возвращение чародея автора Келер Владимир Романович

Твердое - первое состояние вещества Древнегреческий философ Эмпедокл (490–430 гг. до н. э.) считал, что мир построен из четырех стихий, или элементов: земли, воды, воздуха и огня. Учение Эмпедокла разделяли многие ученые древности, в том числе и Аристотель. Потом оно проникло

Из книги Теория относительности для миллионов автора Гарднер Мартин

Жидкое - второе состояние вещества Помня о силах, действующих между молекулами или атомами твердых тел, нетрудно догадаться, почему эти тела плавятся. Потому что при повышении температуры колебания каждого отдельного атома около его нормального положения становятся

Из книги Атомная энергия для военных целей автора Смит Генри Деволф

Газообразное - третье состояние вещества Не задумывались ли вы когда-нибудь над тем, какое состояние вещества для нас всего важнее? Почти все, кому я задавал такой вопрос, прося ответить не подумав, ответить сразу, ошибались. Потом лишь, в следующий момент спохватывались:

Из книги Гиперпространство автора Каку Мичио

10. Взрыв или устойчивое состояние Представьте себе картину постепенного расширения космоса, а затем пустите эту картину в обратном направлении, как это делают в кино. Ясно, что в «скрытом мраком прошлом и бездне времен», как однажды сказал Шекспир, должен был быть такой

Из книги Новый ум короля [О компьютерах, мышлении и законах физики] автора Пенроуз Роджер

СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ 13.1. В результате работы организаций Манхэттенского Округа в Вашингтоне и Тенесси, групп ученых в Беркли, Чикаго, Колумбии, Лос-Аламосе и в других местах, промышленных групп в Клинтоне, Хэнфорде и многих других местах, конец июня 1945 г. застает нас в

Из книги Интерстеллар: наука за кадром автора Торн Кип Стивен

3. Человек, который «видел» четвертое измерение К 1910 г. четвертое измерение стало практически обиходным выражением… Видоизменяясь от идеальной платоновской или кантовской реальности - или даже небес! - этот ответ на все проблемы, озадачивающие современную науку, -

Из книги автора

Четвертое измерение как искусство Период с 1890 по 1910 г. можно считать золотым веком четвертого измерения. Именно в это время идеи, высказанные Гауссом и Риманом, распространились в литературных кругах, внедрились в сознание широкой публики, оказали воздействие на

Из книги автора

Большевики и четвертое измерение в Царской России четвертое измерение приобрело известность благодаря трудам мистика Петра Успенского, познакомившего российских интеллектуалов с тайнами этого измерения. Влияние этой темы ощущалось настолько отчетливо, что Федор

Из книги автора

Двоеженцы и четвертое измерение В конце концов идея четвертого измерения пересекла Атлантический океан и попала в Америку. Ее вестником стала колоритная фигура - английский математик Чарльз Хауард Хинтон. Если Альберт Эйнштейн в 1905 г. корпел за письменным столом в

Из книги автора

Бесполезное четвертое измерение Оглядываясь назад, можно сделать вывод, что знаменитый доклад Римана был популяризован стараниями мистиков, философов и людей искусства и стал доступным широкой аудитории, но почти никак не углубил наше понимание природы. Рассматривая

Из книги автора

Четвертое измерение и встречи выпускников Разумеется, теория Эйнштейна уже не раз была представлена в популярных изложениях, авторы которых делали акценты на разных аспектах теории. Но лишь некоторые из них уловили сущность специальной теории относительности: время -

Из книги автора

Из книги автора

21. Четвертое и пятое измерения Время как четвертое измерение Пространство нашей Вселенной обладает тремя осями координат: «верх – низ», «восток – запад» и «север – юг». Однако чтобы пообедать с подругой, придется договориться не только о месте встречи,

Из книги автора

Время как четвертое измерение Пространство нашей Вселенной обладает тремя осями координат: «верх – низ», «восток – запад» и «север – юг». Однако чтобы пообедать с подругой, придется договориться не только о месте встречи, но и о времени. В этом смысле время –

Из книги автора

Глава 21. Четвертое и пятое измерения Подробнее об унификации пространства и времени см. [Торн 2009]. О «суперструнной революции» Джона Шварца и Майкла Грина и о том, как физики приняли концепцию многомерного балка, см. «Элегантная Вселенная. Суперструны, скрытые

Что такое четвертое состояние вещества, чем оно отличается от трех других и как заставить его служить человеку.

Предположение о существовании первого из состояний вещества, выходящих за рамки классической триады, было высказано в начале ХIХ века, а в 1920-х оно получило свое название – плазма

Алексей Левин

Полтораста лет назад почти все химики и многие физики считали, что материя состоит лишь из атомов и молекул, которые объединяются в более-менее упорядоченные или же совсем неупорядоченные комбинации. Мало кто сомневался, что все или почти все вещества способны существовать в трех разных фазах — твердой, жидкой и газообразной, которые они принимают в зависимости от внешних условий. Но гипотезы о возможности других состояний вещества уже высказывались.

Эту универсальную модель подтверждали и научные наблюдения, и тысячелетия опыта обыденной жизни. В конце концов, каждый знает, что вода при охлаждении превращается в лед, а при нагревании закипает и испаряется. Свинец и железо тоже можно перевести и в жидкость, и в газ, их надо лишь нагреть посильнее. С конца XVIII века исследователи замораживали газы в жидкости, и выглядело вполне правдоподобным, что любой сжиженный газ в принципе можно заставить затвердеть. В общем, простая и понятная картина трех состояний вещества вроде бы не требовала ни поправок, ни дополнений.

В 70 км от Марселя, в Сен-Поль-ле-Дюранс, по соседству с французским исследовательским центром атомной энергии Кадараш, будет построен исследовательский термоядерный реактор ITER (от лат. iter — путь). Основная официальная задача этого реактора — «продемонстрировать научную и технологическую возможность получения энергии термоядерного синтеза для мирных целей». В долговременной перспективе (30−35 лет) на основе данных, полученных во время экспериментов на реакторе ITER, могут быть созданы прототипы безопасных, экологически чистых и экономически прибыльных электростанций.

Ученые того времени немало удивились бы, узнав, что твердое, жидкое и газообразное состояния атомно-молекулярного вещества сохраняются лишь при относительно низких температурах, не превышающих 10 000°, да и в этой зоне не исчерпывают всех возможных структур (пример — жидкие кристаллы). Нелегко было бы и поверить, что на их долю приходится не больше 0,01% от общей массы нынешней Вселенной. Сейчас-то мы знаем, что материя реализует себя во множестве экзотических форм. Некоторые из них (например, вырожденный электронный газ и нейтронное вещество) существуют лишь внутри сверхплотных космических тел (белых карликов и нейтронных звезд), а некоторые (такие как кварк-глюонная жидкость) родились и исчезли в краткий миг вскоре после Большого взрыва. Однако интересно, что предположение о существовании первого из состояний, выходящих за рамки классической триады, было высказано все в том же ХIХ столетии, причем в самом его начале. В предмет научного исследования оно превратилось много позже, в 1920-х. Тогда же и получило свое название — плазма.

От Фарадея до Ленгмюра

Во второй половине 70-х годов XIX века член Лондонского королевского общества Уильям Крукс, весьма успешный метеоролог и химик (он открыл таллий и чрезвычайно точно определил его атомный вес), заинтересовался газовыми разрядами в вакуумных трубках. К тому времени было известно, что отрицательный электрод испускает эманацию неизвестной природы, которую немецкий физик Ойген Голдштейн в 1876 году назвал катодными лучами. После множества опытов Крукс решил, что эти лучи есть не что иное, как частицы газа, которые после столкновения с катодом приобрели отрицательный заряд и стали двигаться в направлении анода. Эти заряженные частицы он назвал «лучистой материей», radiant matter.

Токамак — установка тороидальной формы для удержания плазмы с помощью магнитного поля. Плазма, разогретая до очень высоких температур, не касается стенок камеры, а удерживается магнитными полями — тороидальным, созданным катушками, и полоидальным, которое образуется при протекании тока в плазме. Сама плазма выполняет роль вторичной обмотки трансформатора (первичная — катушки для создания тороидального поля), что обеспечивает предварительный нагрев при протекании электрического тока.

Следует признать, что в таком объяснении природы катодных лучей Крукс не был оригинален. Еще в 1871 году сходную гипотезу высказал крупный британский инженер-электротехник Кромвелл Флитвуд Варли, один из руководителей работ по прокладке первого трансатлантического телеграфного кабеля. Однако результаты экспериментов с катодными лучами привели Крукса к очень глубокой мысли: среда, в которой они распространяются, — это уже не газ, а нечто совершенно иное. 22 августа 1879 года на сессии Британской ассоциации в поддержку науки Крукс заявил, что разряды в разреженных газах «так непохожи на все происходящее в воздухе или любом газе при обычном давлении, что в этом случае мы имеем дело с веществом в четвертом состоянии, которое по свойствам отличается от обычного газа в такой же степени, что и газ от жидкости».

Нередко пишут, что именно Крукс первым додумался до четвертого состояния вещества. В действительности эта мысль гораздо раньше осенила Майкла Фарадея. В 1819 году, за 60 лет до Крукса, Фарадей предположил, что вещество может пребывать в твердом, жидком, газообразном и лучистом состояниях, radiant state of matter. В своем докладе Крукс прямо сказал, что пользуется терминами, заимствованными у Фарадея, но потомки об этом почему-то забыли. Однако фарадеевская идея была все-таки умозрительной гипотезой, а Крукс обосновал ее экспериментальными данными.

Катодные лучи интенсивно изучали и после Крукса. В 1895 году эти эксперименты привели Вильяма Рёнтгена к открытию нового вида электромагнитного излучения, а в начале ХХ века обернулись изобретением первых радиоламп. Но круксовская гипотеза четвертого состояния вещества не вызвала интереса у физиков — скорее всего потому, что в 1897 году Джозеф Джон Томсон доказал, что катодные лучи представляют собой не заряженные атомы газа, а очень легкие частицы, которые он назвал электронами. Это открытие, казалось, сделало гипотезу Крукса ненужной.

Снимок испытательного запуска корейского токамака KSTAR (Korea Superconducting Tokamak Advanced Reactor) с получением «первой плазмы» 15 июля 2008 г. KSTAR, научно-исследовательский проект по изучению возможности термоядерного синтеза для получения энергии, использует 30 сверхпроводящих магнитов, охлаждаемых жидким гелием.

Однако она возродилась, как феникс из пепла. Во второй половине 1920-х будущий нобелевский лауреат по химии Ирвинг Ленгмюр, работавший в лаборатории корпорации General Electric, вплотную занялся исследованием газовых разрядов. Тогда уже знали, что в пространстве между анодом и катодом атомы газа теряют электроны и превращаются в положительно заряженные ионы. Осознав, что подобный газ имеет множество особых свойств, Ленгмюр решил наделить его собственным именем. По какой-то странной ассоциации он выбрал слово «плазма», которое до этого использовали лишь в минералогии (это еще одно название зеленого халцедона) и в биологии (жидкая основа крови, а также молочная сыворотка). В своем новом качестве термин «плазма» впервые появился в статье Ленгмюра «Колебания в ионизованных газах», опубликованной в 1928 году. Лет тридцать этим термином мало кто пользовался, но потом он прочно вошел в научный обиход.

Физика плазмы

Классическая плазма — это ионно-электронный газ, возможно, разбавленный нейтральными частицами (строго говоря, там всегда присутствуют фотоны, но при умеренных температурах их можно не учитывать). Если степень ионизации не слишком мала (как правило, вполне достаточно одного процента), этот газ демонстрирует множество специфических качеств, которыми не обладают обычные газы. Впрочем, можно изготовить плазму, в которой свободных электронов не будет вовсе, а их обязанности возьмут на себя отрицательные ионы.

Для простоты рассмотрим лишь электронно-ионную плазму. Ее частицы притягиваются или отталкиваются в соответствии с законом Кулона, причем это взаимодействие проявляется на больших расстояниях. Именно этим они отличаются от атомов и молекул нейтрального газа, которые чувствуют друг друга лишь на очень малых дистанциях. Поскольку плазменные частицы пребывают в свободном полете, они легко смещаются под действием электрических сил. Для того чтобы плазма находилась в состоянии равновесия, необходимо, чтобы пространственные заряды электронов и ионов полностью компенсировали друг друга. Если это условие не выполняется, в плазме возникают электрические токи, которые восстанавливают равновесие (например, если в какой-то области образуется избыток положительных ионов, туда мгновенно устремятся электроны). Поэтому в равновесной плазме плотности частиц разных знаков практически одинаковы. Это важнейшее свойство называется квазинейтральностью.

Практически всегда атомы или молекулы обычного газа участвуют только в парных взаимодействиях — сталкиваются друг с другом и разлетаются в стороны. Иное дело плазма. Поскольку ее частицы связаны дальнодействующими кулоновскими силами, каждая из них находится в поле ближних и дальних соседей. Это означает, что взаимодействие между частицами плазмы не парное, а множественное — как говорят физики, коллективное. Отсюда следует стандартное определение плазмы — квазинейтральная система большого числа разноименных заряженных частиц, демонстрирующих коллективное поведение.

Мощные ускорители электронов имеют характерную длину в сотни метров и даже километры. Их размеры можно значительно уменьшить, если ускорять электроны не в вакууме, а в плазме — «на гребне» быстро распространяющихся возмущений плотности плазменных зарядов, так называемых кильватерных волн, возбуждаемых с помощью импульсов лазерного излучения.

Плазма отличается от нейтрального газа и реакцией на внешние электрические и магнитные поля (обычный газ их практически не замечает). Частицы плазмы, напротив, чувствуют сколь угодно слабые поля и немедленно приходят в движение, порождая объемные заряды и электрические токи. Еще одна важнейшая особенность равновесной плазмы — зарядовое экранирование. Возьмем частицу плазмы, скажем, положительный ион. Он притягивает электроны, которые формируют облако отрицательного заряда. Поле такого иона ведет себя в соответствии с законом Кулона лишь в его окрестности, а на расстояниях, превышающих определенную критическую величину, очень быстро стремится к нулю. Этот параметр называется дебаевским радиусом экранирования — в честь голландского физика Питера Дебая, который описал этот механизм в 1923 году.

Легко понять, что плазма сохраняет квазинейтральность, лишь если ее линейные размеры по всем измерениям сильно превышают дебаевский радиус. Стоит отметить, что этот параметр возрастает при нагреве плазмы и падает по мере увеличения ее плотности. В плазме газовых разрядов по порядку величины он равен 0,1 мм, в земной ионосфере — 1 мм, в солнечном ядре — 0,01 нм.

Управляемый термояд

В наши дни плазма используется в великом множестве технологий. Одни из них известны каждому (газосветные лампы, плазменные дисплеи), другие представляют интерес для узких специалистов (производство сверхпрочных защитных пленочных покрытий, изготовление микрочипов, дезинфекция). Однако наибольшие надежды на плазму возлагают в связи с работами по осуществлению управляемых термоядерных реакций. Это и понятно. Чтобы ядра водорода слились в ядра гелия, их надо сблизить на расстояние порядка одной стомиллиардной доли сантиметра — а там уже заработают ядерные силы. Такое сближение возможно лишь при температурах в десятки и сотни миллионов градусов — в этом случае кинетической энергии положительно заряженных ядер хватит для преодоления электростатического отталкивания. Поэтому для управляемого термоядерного синтеза необходима высокотемпературная водородная плазма.

Плазма в окружающем мире почти вездесуща — ее можно найти не только в газовых разрядах, но и в ионосфере планет, в поверхностных и глубинных слоях активных звезд. Это и среда для осуществления управляемых термоядерных реакций, и рабочее тело для космических электрореактивных двигателей, и многое, многое другое.

Правда, плазма на основе обычного водорода здесь не поможет. Такие реакции происходят в недрах звезд, но для земной энергетики они бесполезны, поскольку слишком мала интенсивность энерговыделения. Лучше всего использовать плазму из смеси тяжелых изотопов водорода дейтерия и трития в пропорции 1:1 (чисто дейтериевая плазма тоже приемлема, хотя даст меньше энергии и потребует более высоких температур для поджига).

Однако для запуска реакции одного нагрева маловато. Во‑первых, плазма обязана быть достаточно плотной; во‑вторых, попавшие в зону реакции частицы не должны покидать ее слишком быстро — иначе потеря энергии превысит ее выделение. Эти требования можно представить в виде критерия, который в 1955 году предложил английский физик Джон Лоусон. В соответствии с этой формулой произведение плотности плазмы на среднее время удержания частиц должно быть выше некоторой величины, определяемой температурой, составом термоядерного топлива и ожидаемым коэффициентом полезного действия реактора.

Легко увидеть, что существуют два пути выполнения критерия Лоусона. Можно сократить время удержания до наносекунд за счет сжатия плазмы, скажем, до 100−200 г/см3 (поскольку плазма при этом не успевает разлететься, этот метод удержания называют инерционным). Физики отрабатывают эту стратегию с середины 1960-х годов; сейчас ее наиболее совершенной версией занимается Ливерморская национальная лаборатория. В этом году там начнут эксперименты по компрессии миниатюрных капсул из бериллия (диаметр 1,8 мм), заполненных дейтериево-тритиевой смесью, с помощью 192 ультрафиолетовых лазерных пучков. Руководители проекта полагают, что не позднее 2012 года они смогут не только поджечь термоядерную реакцию, но и получить положительный выход энергии. Возможно, аналогичная программа в рамках проекта HiPER (High Power Laser Energy Research) в ближайшие годы будет запущена и в Европе. Однако даже если эксперименты в Ливерморе полностью оправдают возлагаемые на них ожидания, дистанция до создания настоящего термоядерного реактора с инерционным удержанием плазмы все равно останется очень большой. Дело в том, что для создания прототипа электростанции необходима очень скорострельная система сверхмощных лазеров. Она должна обеспечить такую частоту вспышек, зажигающих дейтериево-тритиевые мишени, которая в тысячи раз превысит возможности ливерморской системы, делающей не более 5−10 выстрелов в секунду. Сейчас активно обсуждаются различные возможности создания таких лазерных пушек, но до их практической реализации еще очень далеко.

Токамаки: старая гвардия

Альтернативно можно работать с разреженной плазмой (плотностью в нанограммы на кубический сантиметр), удерживая ее в зоне реакции не менее нескольких секунд. В таких экспериментах вот уже более полувека применяют различные магнитные ловушки, которые удерживают плазму в заданном объеме за счет наложения нескольких магнитных полей. Самыми перспективными считают токамаки — замкнутые магнитные ловушки в форме тора, впервые предложенные А.Д.Сахаровым и И.Е. Таммом в 1950 году. В настоящее время в различных странах работает с дюжину таких установок, крупнейшие из которых позволили приблизиться к выполнению критерия Лоусона. Международный экспериментальный термоядерный реактор, знаменитый ITER, который построят в поселке Кадараш неподалеку от французского города Экс-ан-Прованс, — тоже токамак. Если все пойдет по плану, ITER позволит впервые получить плазму, удовлетворяющую лоусоновскому критерию, и поджечь в ней термоядерную реакцию.

«За последние два десятка лет мы добились огромного прогресса в понимании процессов, которые происходят внутри магнитных плазменных ловушек, в частности — токамаков. В целом мы уже знаем, как движутся частицы плазмы, как возникают неустойчивые состояния плазменных потоков и до какой степени увеличивать давление плазмы, чтобы ее все-таки можно было удержать магнитным полем. Были также созданы новые высокоточные методы плазменной диагностики, то есть измерения различных параметров плазмы, — рассказал «ПМ» профессор ядерной физики и ядерных технологий Массачусетского технологического института Йен Хатчинсон, который свыше 30 лет занимается токамаками. — К настоящему времени в крупнейших токамаках достигнуты мощности выделения тепловой энергии в дейтериево-тритиевой плазме порядка 10 мегаватт на протяжении одной-двух секунд. ITER превзойдет эти показатели на пару порядков. Если мы не ошибаемся в расчетах, он сможет выдавать не менее 500 мегаватт в течение нескольких минут. Если уж совсем повезет, энергия будет генерироваться вообще без ограничения времени, в стабильном режиме».

Профессор Хатчинсон также подчеркнул, что ученые сейчас хорошо понимают характер процессов, которые должны происходить внутри этого огромного токамака: «Мы даже знаем условия, при которых плазма подавляет свои собственные турбулентности, а это очень важно для управления работой реактора. Конечно, необходимо решить множество технических задач — в частности, завершить разработку материалов для внутренней облицовки камеры, способных выдержать интенсивную нейтронную бомбардировку. Но с точки зрения физики плазмы картина достаточно ясна — во всяком случае мы так считаем. ITER должен подтвердить, что мы не ошибаемся. Если все так и будет, придет черед и токамаку следующего поколения, который станет прототипом промышленных термоядерных реакторов. Но сейчас об этом говорить еще рано. А пока мы рассчитываем, что ITER начнет работать в конце этого десятилетия. Скорее всего, он сможет генерировать горячую плазму никак не раньше 2018 года — во всяком случае по нашим ожиданиям». Так что с точки зрения науки и техники у проекта ITER неплохие перспективы.